사진 왼쪽부터 UNIST 로드니 루오프 특훈교수와 POSTECH 박수진 교수.(사진 = UNIST 제공)
전기차 배터리의 충전 속도를 높이고 용량까지 키울 수 있는 재료가 개발돼 관심을 모으고 있다.
UNIST(울산과학기술원) 로드니 루오프 특훈교수와 POSTECH(포항공과대학교) 박수진 교수팀은 고속충전이 가능한 리튬 이온 배터리용 실리콘 소재를 개발했다고 6일 밝혔다.
이른 바, '산호 모양 실리콘-탄소 복합체 일체형 전극'.
배터리 음극용으로 개발된 이 소재는 충전과 방전하는 동안 안정적인 구조를 유지했다.
상용화 조건에서 5배 빨리 충전되고 용량도 2배 이상 늘었다는 게 연구진의 설명이다.
전기차 배터리 소재로 흑연이 사용되고 있지만 고속충전시 음극 표면에 리튬 금속이 석출돼 배터리 전체의 성능과 안정성을 낮춘다는 한계가 있다.
이런 가운데 흑연을 대신할 음극 소재로 흑연보다 10배 이상 용량이 큰 실리콘이 주목받고 있다.
같은 부피에 더 많은 에너지를 저장하므로 배터리 크기를 줄여도 기존 같은 성능을 보일 수 있다는 거다.
하지만 실리콘은 충·방전 시 부피 변화가 커서 잘 깨지고 전자가 통하지 않는다는 문제점이 있다.
산호 모양 실리콘-카본 복합체 일체형 전극의 구조.(그림 = UNIST 제공)
이 문제를 해결하기 위해 공동 연구진은 물질 단계부터 새로운 설계를 제안했다.
우선 구멍(공극)이 많은 실리콘 나노와이어(Nanowire, 나노미터(㎚) 단위의 크기를 가지는 작은 막대기둥 구조체)을 재료로 써, 부피 팽창 문제를 완화했다.
내부 공극들은 충전 시 팽창한 실리콘을 받아들여 실리콘이 깨지지 않고 견디도록 돕는다.
이어 다공성 실리콘 나노와이어를 높은 밀도로 연결시키고, 여기에 탄소를 나노미터(㎚) 두께로 얇게 씌웠다.
그 결과 만들어진 산호 모양 실리콘-탄소 복합체 일체형 전극은 전기 전도도가 향상돼 고속충전이 가능했다.
공동 제1저자인 류재건 POSTECH 박사는 "상용화된 리튬 이온 배터리 평가 조건에서 검증한 결과, 10분만 충전해도 흑연의 4배 이상 용량을 유지했다"고 말했다.
루오프 교수는 "이 기술은 훗날 고속충전이 가능한 고용량 양극 소재와 함께 쓰여 더 높은 수준의 리튬 이온 배터리를 실현할 것"이라고 전망했다.
이번 연구에는 디디에르 프라이밧(Didier Pribat) 성균관대 교수와 린지에 지&시앙롱 리(Linjie Whi&Xianglong Li) 중국 NCNST 교수팀이 함께 참여했다.
연구결과는 세계적인 학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano)의 지난 2월 26일자에 실렸다.