전기차 배터리 충전속도 5배, 용량 2배로...실리콘 소재 개발

기초과학연구원 연구팀 성과

산호 모양 실리콘-카본 복합체 일체형 전극의 구조.

전기차 배터리 충전속도를 5배 향상 시킬 수 있는 리튬이온 배터리용 실리콘 소재가 개발됐다.

기초과학연구원(원장 김두철, IBS)의 '로드니 루오프' 다차원 탄소 재료 연구단장 팀이 국내·외 연구진과 공동으로 고속 충전이 가능한 리튬이온 배터리용 실리콘 소재를 개발했다고 밝혔다.

연구진은 개발된 소재를 배터리의 음극으로 사용했을 때 기존 배터리 대비 충전 속도가 5배, 용량이 2배 이상 향상됐고 충·방전 반복에도 안정적 구조를 유지한다는 점을 확인했다.

고성능 전기자동차의 상용화를 위해서는 배터리의 에너지 용량을 늘리고 충전시간을 단축하는 일이 필요하다. 최근 주목 받는 소재인 실리콘은 기존 소재인 흑연보다 용량이 10배 이상 커서 고에너지 배터리에 적용하기 유리하다. 하지만 충·방전 시 부피 변화가 커서 잘 깨지고 갈라진 표면을 따라 고체전해질 계면층이 두껍게 형성돼 리튬 이온의 전달 특성이 발휘되지 못한다는 단점이 있었다.

연구진은 물질 단계부터 새로운 설계를 적용해 이 문제를 해결했다. 우선 구멍(공극)이 많은 실리콘 나노와이어 구조체를 재료로 사용해 실리콘의 부피 팽창 문제를 완화했다. 내부 공극들은 충전 시 팽창한 실리콘을 받아들여 실리콘이 깨지지 않고 견디도록 돕는다. 이후 다공성 실리콘 나노와이어를 높은 밀도로 연결시키고 여기에 탄소를 나노미터 두께로 얇게 씌웠다. 이렇게 만들어진 산호 모양의 '실리콘-탄소 복합체 일체형 전극'은 전기 전도도가 향상돼 고속충전이 가능했다.

공동 제1저자인 '빈 왕' 다차원 탄소재료 연구단 연구위원은 "실리콘 내부의 공극과 산호 모양의 다공성 구조는 리튬 이온을 빠르게 전달하게 돕고 탄소층은 전극의 저항을 줄이는 동시에 계면 안정성까지 확보한다"고 설명했다.

더불어 일체형 전극 구조도 배터리 에너지 밀도를 높이는 데 기여했다. 기존 전극은 리튬 이온이 포함된 활물질과 전자를 전해주는 집전체, 둘을 이어주는 도전제와 바인더 등이 필요했다. 연구진이 일체형 전극 구조 개발로 공간을 많이 차지해 에너지 밀도가 떨어지는 문제를 개선한 것이다. 연구결과는 세계적인 학술지 '에이씨에스 나노' 최신호(2월 26일자)에 실렸다.

로드니 루오프 단장은 "이번에 개발한 기술은 훗날 고속충전이 가능한 고용량 양극 소재와 함께 쓰여 더 높은 수준의 리튬 이온 배터리를 실현하는 데 기여할 것"이라고 말했다.
한윤창 기자 storm0238@