순천향대학교 에너지공학과 안욱 교수

순천향대(총장 송병국)는 에너지공학과 안욱 교수 연구팀이 고용량과 장수명을 동시에 구현할 수 있는 차세대 리튬이온전지용 실리콘-그래핀 복합 음극 소재를 개발했다고 25일 밝혔다.

이번 연구는 한국생산기술연구원 임성남 책임연구원, 국립부경대 전윤석 교수 연구팀과 공동으로 수행됐으며, 연구 결과는 국제학술지 Composites Part B-Engineering(IF 14.2, 공학 분야 상위 0.3%) 2026년 3월호에 게재됐다.

리튬이온전지 음극으로 널리 사용되는 흑연은 안정성이 높은 대신 에너지 저장 용량이 제한적인 반면, 실리콘은 높은 이론용량을 지녀 차세대 음극 소재로 주목받고 있다. 그러나 충·방전 과정에서 300% 이상의 부피 팽창이 발생하고 전해질 계면(SEI)이 불안정해 수명이 급격히 저하되는 문제가 있어 상용화에 어려움이 있었다.

연구팀은 태양광 폐기물에서 회수한 실리콘 나노입자를 환원 그래핀 산화물 나노리본(rGONRs) 매트릭스 내부에 균일하게 분산시키는 동결건조 공정을 적용해 다공성 3차원 복합 구조를 구현했다. 이를 통해 실리콘의 부피 팽창을 효과적으로 흡수하면서 전기전도성과 이온 이동성을 동시에 향상시켰다.

또한 예비리튬화(prelithiation) 기술을 적용해 초기 쿨롱 효율을 기존 전극의 58.9%에서 100% 이상으로 개선했으며, 안정적인 전해질 계면 형성을 유도해 장기 수명을 확보했다.

성능 평가 결과 개발된 복합 음극은 200 mA/g 조건에서 1600 mAh/g의 가역용량을 보였고, 고속 충·방전 조건에서도 높은 용량을 유지했다. 수백 회 이상의 충·방전 이후에도 높은 용량 유지율을 기록했으며, 전극 두께 팽창률도 기존 실리콘 음극 대비 크게 낮아 구조적 안정성이 향상된 것으로 나타났다.

안욱 교수는 “실리콘 음극은 높은 에너지 저장 용량에도 불구하고 부피 팽창과 초기 효율 저하로 상용화에 한계가 있었다”며 “이번 연구에서 개발한 동결건조 기반 복합 음극과 예비리튬화 기술은 전기차와 에너지저장장치용 고성능 리튬이온전지 개발에 중요한 기반이 될 것”이라고 말했다.