▲ 산호 모양 실리콘-카본 복합체 일체형 전극의 구조. [제공=기초과학연구원]

 

전기차 배터리의 용량을 높이면서 더 빠르게 충전할 수 있는 신소재가 개발돼 고속충전이 가능한 전기자동차의 상용화가 기대된다.

기초과학연구원(IBS)은 로드니 루오프 다차원 탄소 재료 연구단장장 팀과 박수진 포항공과대학교 교수팀이 공동으로 고속충전이 가능한 리튬이온 배터리용 실리콘 소재를 개발했다고 6일 밝혔다.

배터리 음극용으로 개발된 이 소재는 충전과 방전하는 동안 안정적인 구조를 유지했고, 상용화 조건에서 5배 빨리 충전되며 용량도 2배 이상 늘었다는 점을 입증했다고 연구원은 설명했다.

고성능 전기차 배터리는 전기자동차의 상용화에 가장 중요한 요소로 지금보다 배터리 에너지 용량을 늘리고 충전시간을 단축하는 것이 중요하다.

하지만 현재 배터리의 음극에 사용되는 흑연은 이론적인 용량 한계가 있을 뿐더러 고속충전 때 음극 표면에 리튬금속이 석출돼 배터리 전체 성능과 안정성을 낮춘다는 한계가 있었다.

이에 음극 소재로는 흑연보다 10배 이상 용량이 큰 실리콘이 대체제로 주목을 받고 있지만 충‧방전 시 부피 변화가 커 잘 깨지고 깨진 표면을 따라 고체 전해질 계면층이 두껍게 형성돼 리튬 이온의 전달 특성을 저하한다는 단점이 있다.

실리콘을 이용한 고에너지·고속 충전 리튬 이온 배터리 개발은 현재까지 어려운 일로 남아 있다.

공동 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 물질 단계부터 새로운 설계를 제안했다.

우선 구멍(공극)이 많은 실리콘 나노와이어들을 재료로 써서 실리콘의 부피 팽창 문제를 완화했다. 내부 공극들은 충전 시 팽창한 실리콘을 받아들여 실리콘이 깨지지 않고 견디도록 돕는다.

이후 다공성 실리콘 나노와이어를 높은 밀도로 연결시키고, 여기에 탄소를 나노미터 두께로 얇게 씌웠다.

그 결과, 만들어진 산호 모양 실로콘-탄소 복합체 일체형 전극은 전기 전도도가 향상돼 고속충전이 가능했다.

특히 이 기술은 일체형 전극이라는 점에서 배터리 에너지 밀도를 높이는 데도 기여한다고 기초과학연구원은 설명했다.

기존 전극은 리튬 이온이 포함된 활물질과 여기에 전자를 전해주는 집전체, 이를 이어주는 도전제와 바인더 등이 필요했다. 이로 인해 공간을 더 차지하면서 에너지 밀도를 떨어뜨렸다.

연구진은 일체형이 되면서 에너지 저장 공간이 늘어났고 산호 모양의 3차원 구조로 전도성도 향상됐으며, 상용화된 리튬 이온 배터리 평가 조건에서 검증한 결과 10분만 충전해도 4배 이상 용량을 유지했다고 설명했다.

로드니 루오프 단장은 \"이 기술은 훗날 고속충전이 가능한 양극 소재와 함께 쓰여 더 높은 수준의 리튬 이온 배터리를 실현할 것\"이라며 \"전기차 배터리 산업에 크게 기여할 것이다\"고 전망했다.

이번 연구 결과는 세계적인 학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano) 최신호(2월 26일자)에 실렸다. 연구 수행은 기초과학연구원(IBS)과 한국연구재단, 중국자연과학재단의 지원으로 이뤄졌다.

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