국내 연구진이 전기차 배터리를 빠르게 충전하고 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 소재를 개발했습니다.
울산과학기술원(UNIST)은 로드니 루오프 특훈교수 연구진과 포항공과대학교 박수진 교수팀이 고속충전이 가능한 리튬이온 배터리용 실리콘 소재를 개발했다고 밝혔는데요.
배터리 음극용으로 개발된 이 소재는 충전과 방전하는 동안 안정적인 구조를 유지했고, 상용화 조건에서 5배 빨리 충전되며 용량도 2배 이상 늘었습니다.
고성능 전기차 배터리는 지금보다 에너지 용량을 늘리고 충전시간을 단축해야 하지만 현재 사용되는 음극 소재인 흑연은 이론적인 용량 한계가 있죠. 흑연을 대신할 음극 소재로는 흑연보다 10배 이상 용량이 큰 실리콘이 주목을 받고 있습니다.
이론적 용량이 커서 고에너지 배터리에 적용하려는 시도가 많지만 실리콘은 충·방전 시 부피 변화가 커서 잘 깨지고, 깨진 표면을 따라 고체저해질 계면층이 두껍게 형성돼 리튬 이온의 전달 특성을 저하시킵니다.
이 때문에 실리콘을 이용한 고에너지·고속 충전 리튬 이온 배터리 개발은 현재까지 어려운 일로 남아 있었어요. 공동 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 물질 단계부터 새로운 설계를 제안했습니다.
먼저 구멍(공극)이 많은 실리콘 나노와이어들을 재료로 써서 실리콘의 부피 팽창 문제를 완화했어요. 내부 공극들은 충전 시 팽창한 실리콘을 받아들여 실리콘이 깨지지 않고 견디도록 돕습니다.
다음으로 다공성 실리콘 나노와이어를 높은 밀도로 연결시키고, 여기에 탄소를 나노미터 두께로 얇게 씌웠죠. 그 결과, 만들어진 산호 모양 실로콘-탄소 복합체 일체형 전극은 전기 전도도가 향상돼 고속 충전이 가능해졌습니다. 특히 이 기술은 일체형 전극이라는 점에서 배터리 에너지 밀도를 높이는 데도 기여하는데요.
기존 전극은 리튬 이온이 포함된 활물질과 여기에 전자를 전해주는 집전체, 이를 이어주는 도전제와 바인더 등이 필요했습니다. 이로 인해 공간을 더 차지하면서 에너지 밀도를 떨어뜨렸죠.
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 설명했습니다.
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 충족한 최초의 실리콘 기반 음극 소재"라고 전했습니다.
루오프 교수는 "이 기술은 훗날 고속충전이 가능한 양극소재와 함께 쓰여 더 높은 수준의 리튬 이온 배터리를 실현할 것"이라며, "전기차 배터리 산업에 크게 기여할 것"이라고 말했습니다. 이번 연구 결과는 <ACS Nano> 최신호에 실렸습니다.
