산호 닮은 실리콘으로 전기車 충전 속도 5배↑
산호 닮은 실리콘으로 전기車 충전 속도 5배↑
  • 강지희
  • 승인 2019.03.08 06:30
  • 조회수 781
  • 댓글 0
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자동차. 출처:Pixabay
이런 스타일의 전기자동차는 어떠세요? 출처: pixabay

전기자동차 배터리의 음극 소재는 현재 탄소로만 이루어진 흑연으로 만듭니다. 하지만 흑연은 용량이 한정적이고, 고속 충전 시 음극 표면에 리튬 금속이 석출돼 배터리의 성능과 안정성이 떨어진다는 게 단점인데요.

 

기초과학연구원의 로드니 루오프 다차원 탄소재료 연구단장팀은 박수진 포항공과대 교수팀 등의 연구진과 공동으로 흑연을 극복할 신소재를 개발했다고 합니다. 신소재는 산호와 꼭 닮은 모양을 가진 실리콘인데요. 이 실리콘을 사용하면 기존 소재보다 5배 더 빨리 충전되고, 용량을 2배 이상으로 늘릴 수 있다고 합니다.

 

산호 닮은 실리콘의 특징

 

실리콘은 어떤 장점이 있을까요. 실리콘은 흑연보다 용량이 10배 이상 큽니다. 하지만 충전 혹은 방전 시 부피 변화가 커서 잘 깨지고, 깨진 표면을 따라 계면층이 형성돼 리튬 이온의 전달이 저하되는 단점도 띱니다. 연구팀은 새로운 설계를 통해 이러한 단점을 해결했습니다.

 

산호 모양 실리콘-탄소 복합체 일체형 전극의 구조. 출처: 기초과학연구원
산호 모양 실리콘-탄소 복합체 일체형 전극의 구조. 출처: 기초과학연구원

연구팀은 구멍(공극)이 많은 실리콘 나노와이어 구조체를 재료로 사용했습니다. 내부 구멍들은 충전 시 팽창한 실리콘을 받아들여 실리콘이 깨지지 않고 견디도록 돕는 역할을 하죠. 실리콘이 깨지지 않음으로써 이온 전달 속도를 높일 수 있다고 합니다.

 

산호 모양 실리콘-탄소 복합체 일체형 전극의 전지 특성. 출처: 기초과학연구원
산호 모양 실리콘-탄소 복합체 일체형 전극의 전지 특성. 출처: 기초과학연구원

이후 실리콘 나노와이어를 높은 밀도로 연결시키고, 나노와이어 위에 탄소를 나노미터 두께로 얇게 씌웠다고 합니다. 연구진 중 한 명인 빈 왕(Bin Wang) 연구위원은 이 탄소층이 전극의 저항을 줄이고, 계면 안정성까지 확보한다고 말했습니다.

 

배터리의 전극 구조는 일체형 전극 구조로 했습니다. 기존 배터리의 전극은 많은 재료를 요구하고 복잡한 구조를 가져 공간을 많이 차지하는데요. 이는 에너지 저장 공간을 줄여, 에너지 밀도를 떨어뜨린다는 단점을 가지고 있죠.

 

하지만 일체형 전극 구조는 배터리 에너지 밀도를 높이는데 기여할 수 있다고 합니다. 연구진에 참여했던 포항공대의 류재건 박사는 "전극 구조가 일체형이 되면서 에너지 저장 공간이 늘고, 산호 모양의 3차원 구조 덕분에 전도성도 향상됐다"고 말했습니다. 연구에 따르면, 10분만 충전해도 흑연의 4배 이상의 용량을 유지했다는군요.

 

앞으로의 계획과 전망은?

 

로드니 루오프(Rodney S. Ruoff) IBS 다차원 탄소재료 연구단장. 출처: 기초과학연구원
로드니 루오프(Rodney S. Ruoff) IBS 다차원 탄소재료 연구단장. 출처: 기초과학연구원

박수진 교수는 "산호 모양 실리콘-탄소 일체형 전극은 에너지 밀도와 출력 밀도를 높이는, 이른바 '두 마리의 토끼를 잡는 기술'이라며"라며 "고속 충전의 충족 요소를 다 가진 최초의 실리콘 기반 음극 소재"라고 강조했습니다. 또, 로드니 루오프 단장은 "이 기술이 훗날 고속 충전이 가능한 고용량 양극 소재와 함께 쓰여 더 높은 수준의 리튬 이온 배터리를 실현할 것"이라고 말했습니다.
 


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