포스텍 “전기車 5배 더 빨리 충전”…고속충전 배터리용 실리콘 개발

[포항] 전기자동차 배터리 용량과 충전속도를 높일 수 있는 새로운 소재 기술이 학계에 보고됐다. 6일 포스텍에 따르면 기초과학연구원(IBS) 로드니 루오프 다차원 탄소재료 연구단장팀이 박수진 포스텍 교수팀 등과 함께 고속충전이 가능한 리튬이온 배터리용 실리콘 소재를 개발했다.

고성능 전기자동차 상용화의 최대 과제는 배터리 에너지 용량 증가와 충전시간 단축이다. 현재 음극에 사용되는 흑연은 용량 한계가 있고 고속충전 때 음극 표면에 리튬 금속이 석출돼 배터리 성능과 안정성을 낮추는 문제를 안고 있다.

공동연구팀은 음극 소재인 흑연 대신 실리콘에 주목했다. 실리콘은 흑연보다 용량이 10배 이상 커 고에너지 배터리에 적용이 유리하기 때문이다. 그러나 실리콘은 충·방전 때 부피 변화로 인해 쉽게 깨지고 리튬 이온 전달을 저하시키는 단점을 갖고 있다.

연구팀은 이 같은 문제 해결을 위해 물질 단계부터 새로운 설계를 제안했다. 구멍(공극)이 많은 실리콘 나노와이어 구조체를 재료로 사용해 부피 팽창 문제를 완화했다. 내부 공극은 충전 때 팽창한 실리콘을 받아들여 실리콘이 깨지지 않고 견디도록 돕는다. 이후 다공성 실리콘 나노와이어를 높은 밀도로 서로 연결했다. 여기에 탄소를 나노미터 두께로 얇게 씌웠다. 그랬더니 산호 모양의 실리콘·탄소 복합체 일체형 전극이 탄생했다.

연구팀은 이 소재를 배터리 음극으로 사용했을 때 기존보다 5배 더 빨리 충전되고 반복적인 충·방전에도 안정적 구조를 유지한다고 설명했다. 박수진 포스텍 교수는 “똑같은 부피에서 에너지 밀도와 출력 밀도를 모두 높이는 ‘두 마리 토끼를 잡는 기술’로 보면 된다”며 “고속 충전의 필수요소를 모두 충족한 최초의 실리콘 기반 음극 소재”라고 말했다. 이번 연구결과는 ‘에이씨에스 나노(ACS Nano, IF 13.709)’ 2월26일 자에 실렸다.

김기태기자 ktk@yeongnam.com

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