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전기차 배터리 "더 빠르게 더 많이"... 실리콘 음극소재 최초 개발

5배 빨리 충전되고 용량도 2배 이상 늘어
UNIST 로드니 루오프 교수, POSTECH 박수진 교수

전기차 배터리 "더 빠르게 더 많이"... 실리콘 음극소재 최초 개발
[연구그림] 산호 모양 실리콘-카본 복합체 일체형 전극의 구조 /사진=UNIST

【울산=최수상 기자】 전기차 배터리를 빠르게 충전하고 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 소재가 개발됐다.

UNIST는 로드니 루오프(Rodney S. Ruoff) 특훈교수(IBS 다차원 탄소재료 연구단장) 연구진과 POSTECH 박수진 교수팀이 고속충전이 가능한 리튬 이온 배터리용 실리콘 소재를 개발했다고 6일 밝혔다.

배터리 음극용으로 개발된 이 소재는 충전과 방전하는 동안 안정적인 구조를 유지했고, 상용화 조건에서 5배 빨리 충전되고 용량도 2배 이상 늘었다.

고성능 전기차 배터리는 지금보다 에너지 용량을 늘리고, 충전시간을 단축해야 한다. 하지만 현재 사용되는 음극 소재인 ‘흑연’은 이론적인 용량 한계가 있고 고속충전 조건에서 음극 표면에 리튬 금속이 석출돼 배터리 전체의 성능과 안정성을 낮추는 단점이 있다.

흑연을 대신할 음극 소재로는 흑연보다 10배 이상 용량이 큰 ‘실리콘’이 주목받고 있지만 실리콘 또한 충.방전 시 부피 변화가 커서 잘 깨지고, 깨진 표면을 따라 고체전해질 계면층이 두껍게 형성돼 리튬 이온의 전달 특성을 저하시킨다는 평가를 받아왔다.

전기차 배터리 "더 빠르게 더 많이"... 실리콘 음극소재 최초 개발
[연구그림] 산호 모양 실리콘-카본 복합체 일체형 전극의 전지 특성 /사진=UNIST

이번 결과에 대해 박수진 교수는 “산호 모양 실리콘-탄소 일체형 전극은 똑같은 부피에서 에너지 밀도와 출력 밀도를 모두 높이는 두 마리 토끼를 잡는 기술”이라며 “고속충전의 필수요소를 모두 충촉한 최초의 실리콘 기반 음극 소재”라고 강조했다.

루오프 교수는 “이 기술은 훗날 고속충전이 가능한 고용량 양극 소재와 함께 쓰여 더 높은 수준의 리튬 이온 배터리를 실현할 수 있으며 전기차 배터리 산업에 크게 기여할 것이다”고 전망했다.

이번 연구에는 디디에르 프라이밧(Didier Pribat) 성균관대 교수와 린지에 지&시앙롱 리(Linjie Whi&Xianglong Li) 중국 NCNST 교수팀이 함께 참여했으며, 연구결과는 세계적인 학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano) 최신호(2월 26일자)에 실렸다. 연구 수행은 기초과학연구원(IBS)과 한국연구재단, 중국자연과학재단의 지원으로 이뤄졌다.

ulsan@fnnews.com 최수상 기자