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[헤럴드경제=구본혁 기자] 광주과학기술원(지스트) 에너지융합대학원 김형진 교수와 기계공학부 정성호 교수 연구팀은 차세대 리튬이차전지용 음극으로 주목받고 있는 실리콘 음극의 성능과 내구성을 개선하는데 성공했다고 25일 밝혔다.

실리콘 음극은 기존 흑연 상용 음극 보다 이론적으로 10배가 넘는 에너지 밀도를 갖고 있을 뿐 아니라 경제적이고 친환경 소재다. 대용량 에너지 저장장치(ESS) 및 전기차와 같은 높은 에너지 밀도와 출력 밀도를 요구하는 중대형 에너지 저장장치 활용이 가능해 세계 각국에서 개발을 위한 경쟁이 치열하다. 하지만 실리콘의 비전도성 특성, 충방전 과정에서 실리콘의 부피팽창으로 인한 낮은 수명은 상용화에 걸림돌로 작용하고 있다.

최근 실리콘 음극의 성능 개선을 위한 재료 연구가 진행되고 있으나, 보다 실용적인 성능향상을 위해서는 생산단가가 낮고 대량 생산이 가능한 기술에 대한 연구가 필요하다.

연구팀은 나노초 레이저 가공 기술을 활용, 실리콘 전극 표면을 구조화시켜 충방전 과정에서 발생하는 실리콘 표면에서의 기계적 응력을 감소시키는데 성공했다.

실리콘 전극 표면 처리에 적용한 나노초 레이저 기술은 기존 수십 마이크로미터(㎛)의 좁은 폭으로 가공하는 기술 대비 1㎠의 넓은 영역을 5초 이내로 가공할 수 있다는 장점이 있다. 이를 통해 기존 레이저 가공 기술 대비 약 60배 이상 전극 가공 속도가 증가해 높은 대량 생산 가능성을 확인했다.

나노초 레이저 가공기술을 활용한 실리콘 전극 표면처리 과정 모식도.[지스트 제공]

김형진 교수는 “이번 연구에서는 특히 배터리 전극 제조 기술과 레이저 가공 기술의 융합 연구가 핵심”이라면서 “지금까지의 배터리 제조 공정에서는 전극 절단, 금속 간 접합 과정에 레이저가 사용되고 있으나, 단시간의 표면가공을 대량 생산에 적용해 리튬이차전지의 성능향상에 기여할 수 있기를 바란다”고 말했다.

이번 연구결과는 에너지 및 연료분야 국제학술지 ‘저널 오브 파워소스’ 2월 11일자 온라인으로 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com