[제21주차 IR52 장영실상] 대주전자재료 '리튬이차전지용 실리콘산화물 음극재'

[제21주차 IR52 장영실상] 대주전자재료 '리튬이차전지용 실리콘산화물 음극재'

등록일 2021-05-24

 ▲왼쪽부터 박경현 차장, 오성민 부사장, 김기영 수석연구원. [사진 제공 = 대주전자재료]

리튬이차전지용 실리콘산화물 음극재를 개발한 대주전자재료가 2021년 21주 차 iR52 장영실상을 받았다. 

리튬이차전지용 실리콘산화물 음극재는 기존 흑연 음극재보다 탁월하게 큰 충·방전 용량을 갖고 있는 소재다. 이는 이차전지의 에너지 밀도를 비약적으로 향상시킬 수 있다. 대주전자재료가 개발한 실리콘산화물 음극재는 전기차의 주행거리를 늘리고 충전 속도를 빠르게 할 수 있다. 또 모바일 기기, 노트북, 드론 등에도 적용될 수 있다. 

전기차는 1회 충전으로 주행할 수 있는 거리가 짧고 충전하는 데 시간이 오래 걸린다. 이를 해결하기 위해 흑연 음극재보다 용량이 몇 배 많은 고용량 실리콘산화물 음극재에 관심이 집중되고 있다. 단 실리콘산화물 음극재를 제조하기 위해선 새로운 공법인 '기상합성공정'을 사용해야 하는데 제품화까지 이어진 사례가 적어 어려움이 있었다. 대주전자재료는 금속 및 세라믹 나노소재 합성을 위한 기상합성공정 기술을 개발했던 경험을 실리콘산화물 음극재 공정에 응용해 기존 실리콘 계열 음극재가 가졌던 단점들을 해결했다. 이를 통해 80~82% 정도의 충·방전 효율을 갖춘 배터리를 제품화했다. 실리콘산화물 음극재는 실리콘 분말의 크기가 작다. 실리콘·카본 음극재는 평균 70~100㎚ 크기의 실리콘 분말을 흑연과 혼합해 만들어지지만 실리콘산화물 음극재 분말은 10㎚도 되지 않는다. 이 덕분에 팽창과 수축에 따른 부작용이 적다. 또 마그네슘을 더해 75%에 불과했던 실리콘산화물 음극재의 충·방전 효율도 끌어올렸다. 대주전자재료는 세계 최초로 실리콘산화물 음극재를 전기차용 파우치셀에 적용했다. 

 

 

• 2021 년 21 주차 장영실상 수상제품목록보기  대주전자재료회사명 : 대주전자재료대표자 : 임일지,임중규제품명 : 리튬이차전지용 실리콘산화물 음극재모델명 : DMSO series개발기술명 : 리튬이차전지용 고효율 실리콘복합산화물 음극활물질 합성기술선정분야 : 소재.환경
• 리튬이차전지용 실리콘산화물 음극재

제품소개용도 및 기능실리콘산화물 음극재는 기존의 흑연 음극재보다 탁월하게 높은 충/방전 용량으로 이차전지(배터리)의 에너지밀도를 향상시켜 전기차의 주행거리를 길게하고 충전 속도를 빠르게 구현하는 핵심소재임. 모바일, 노트북, 전동공구, 드론 등에 적용되어 배터리의 무게를 줄이고 충전 후 사용 시간을 길게하기 위한 고용량 음극소재임.차별적 특징고용량 실리콘계 음극활물질은 충전/방전 과정에서 발생되는 급격한 팽창/수축으로 인한 부작용 문제로 실제 배터리에 적용되기 어렵고, 이를 해결하기 위해서는 실리콘 입자의 크기를 최소화하면서 입자의 비표면적을 작게하여 표면 부반응을 억제해야 한다. 기존의 실리콘계 음극활물질로 사용되는 실리콘-카본 복합체는 실리콘 분말을 기계적인 밀링공정으로 분쇄하여 평균입경 70~100nm로 만들고 흑연과 혼합하는 방법으로 제조되고 있으며, 기계적인 분쇄공정의 한계로 인하여 실리콘 입자의 크기를 수nm 수준까지 작게할 수 없어서 전극의 팽창율과 수명(용량유지율)에 문제가 있어서 전동공구 등의 일부 원통형셀에만 제한적으로 적용되고 있다. 기존의 실리콘계 음극활물질에서 가장 안정적인 장수명 고용량 실리콘산화물 음극활물질은, 기상합성공정으로 제조되며 수nm 수준의 실리콘(Si) 입자가 매트릭스(SiO2)에 삼차원적으로 균일하게 분산된 구조로 형성되므로 충전/방전 과정에서의 팽창/수축에 따른 부작용을 최소화하고 실리콘입자가 매트릭스 내부에 존해하여 표면이 외부에 노출되지 않으므로 실리콘입자 표면에서의 부반응을 억제하기 위해 탁월한 구조의 소재이다. 단, SiO2 매트릭스가 초기 충전 과정에서 리튬과 반응하여 비가역 생성물로 되면서 초기 충/방전 효율이 75%이하로 떨어지는 것이 큰 문제였다. 본 개발 제품은 기존의 가장 안정된 실리콘산화물 음극재의 단점인 초기효율을 향상시키기 위하여 비가역을 발생시키는 원인인 SiO2 매트릭스를 제거하기 위하여, 기상합성공정에서 마그네슘(Mg)을 도입하면서 SiO2를 마그네슘실리케이트 매트릭스로 전환시켜 초기효율이 향상되는 실리콘복합산화물을 개발하게 되었다. 현재 초기효율 80~82%까지 제품화되고 있으며, 85% 이상의 제품도 공정최적화 진행 중이다.담당부서경기도 시흥시 서해안로 148(0313620277)