IBS, 산호 닮은 실리콘으로 전기자동차 배터리 고용량·고속충전 이뤄

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전기자동차 배터리 용량을 높이면서 충전 속도도 높이는 흑연 음극 대체 신소재가 개발됐다.

기초과학연구원(IBS·원장 김두철)은 로드니 루오프 다차원 탄소재료 연구단장(UNIST 특훈교수)이 이끄는 연구팀이 포항공대(포스텍), 성균관대, 중국 국가나노과학센터(NCNST) 연구팀과 함께 고속충전이 가능한 새로운 리튬이온 배터리용 실리콘 소재를 개발했다고 6일 밝혔다.

이 소재를 배터리의 음극으로 사용하면 충전 속도를 기존 대비 5배 높이고, 용량도 2배 이상 늘릴 수 있다. 충·방전을 반복해도 안정적인 구조를 유지하는 장점도 있다.

IBS를 비롯한 공동연구팀이 개발한 산호 모양 전극 구조
<IBS를 비롯한 공동연구팀이 개발한 산호 모양 전극 구조>

전기자동차 상용화에는 배터리 에너지 용량을 늘리고 충전시간을 단축하는 일이 필수다. 그러나 현재 배터리 음극에 쓰이는 흑연은 이론 용량 한계가 있고, 고속충전 시 표면에 리튬 금속이 석출돼 안정성을 낮추는 문제가 있다.

최근 주목받는 소재는 실리콘이다. 흑연보다 용량이 10배 이상 크지만 충·방전 시 부피 변화가 커서 잘 깨지고, 이를 따라 '고체전해질 계면층'이 형성돼 리튬 이온이 잘 전달되지 않는 단점도 있다.

연구팀은 새로운 실리콘 구조 설계로 문제를 해결했다. 팽창한 실리콘을 받아들여 견딜 수 있도록 구멍이 많은 실리콘 나노와이어 구조체를 재료로 썼다.

이 구조체를 고밀도로 연결시키고, 여기에 나노미터(㎚) 두께로 탄소를 얇게 씌워 산호 모양 '실리콘-탄소 복합체 일체형 전극'을 만들었다. 이 과정에서 전기 전도도가 높아져 고속 충전도 가능해졌다. 일체형 전극으로 에너지 저장 공간이 늘어나는 효과도 거뒀다.

로드니 루오프 단장은 “이 기술은 훗날 고속충전이 가능한 고용량 양극 소재와 함께 쓰여 더 높은 수준의 리튬 이온 배터리를 실현할 것”이라며 “전기차 배터리 산업 발전에 크게 기여할 것”이라고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com