국내외 연구진, 고속충전 가능한 리튬이온 배터리용 실리콘 소재 개발

전기차 충전소, 기사 내용과 무관 (사진 = 연합뉴스)
전기차 충전소, 기사 내용과 무관 (사진 = 연합뉴스)

[데일리비즈온 김소윤 기자] 전기자동차도 고속충전이 가능해지는 시대가 올 것으로 전망된다.

6일 기초과학연구원(IBS)은 로드니 루오프 다차원 탄소 재료 연구단장 팀과 박수진 포항공과대 교수팀 등 국내외 연구진이 공동으로 고속충전이 가능한 리튬이온 배터리용 실리콘 소재를 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 이 소재를 배터리의 음극으로 사용했을 때 기존 대비 5배 더 빨리 충전되는 것을 확인했다. 2배 이상 용량을 늘릴 수 있고 충·방전을 반복해도 안정적인 구조를 유지한다는 점도 함께 입증했다.

현재보다 배터리 애너지 용량을 늘리고 충전 시간을 단축하는 것은 고성능 전기차 상용화를 위한 필요 요소다.

현재로선 배터리 음극에 사용되는 소재인 흑연이 이론적인 용량 한계가 있고 고속 충전 시 음극 표면에 리튬 금속이 석출돼 배터리 전체의 성능과 안정성을 낮출 우려가 제기되고 있다.

때문에 흑연을 대신할 음극 소재로 실리콘도 거론되지만 실리콘은 충·방전 시 부피 변화가 커서 잘 깨지고 깨진 표면을 따라 고체 전해질 계면층이 두껍게 형성돼 리튬 이온의 전달 특성을 저하한다는 것이 단점이다.

하지만 현재 배터리의 음극에 사용되는 소재인 흑연은 이론적인 용량 한계가 있을뿐더러 고속충전 시 음극 표면에 리튬 금속이 석출돼 배터리 전체의 성능과 안정성을 낮춘다는 문제가 있다.

이런 이유로 흑연을 대신할 음극 소재로 실리콘이 주목받지만, 충‧방전 시 부피 변화가 커 잘 깨지고 깨진 표면을 따라 고체 전해질 계면층이 두껍게 형성돼 리튬 이온의 전달 특성을 저하한다는 단점이 있다.

이 같은 문제를 공동연구진은 물질 단계부터 새로운 설계를 제안해 해결했다. 구멍(공극)이 많은 실리콘 나노와이어 구조체를 재료로 사용해 실리콘의 부피 팽창 문제를 완화했다는 설명이다.

이렇게 만들어진 산호 모양의 '실리콘-탄소 복합체 일체형 전극'은 전기 전도도가 향상돼 고속충전을 가능하게 한다. 일체형 전극 구조는 배터리 에너지 밀도를 높이는 데 기여한다는 게 기초과학연구원의 설명이다.

기존 전극은 리튬 이온이 포함된 활물질과 전자를 전해주는 집전체, 둘을 이어주는 도전제와 바인더 등이 필요했다. 공간을 많이 차지해 에너지 밀도도 떨어뜨리는데 이 문제를 개선한 것이다.

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

한편 해당 연구 결과는 세계적인 학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano, IF 13.709) 최신호(2월 26일자)에 실렸다.

 

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