전기차 충전속도 5배 높이는 '산호모양 실리콘' 소재 개발

(서울=뉴스1) 최소망 기자 = 전기자동차 충전을 기존보다 5배 빨리, 2배 많이 충전할 수 있는 실리콘 소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 로드니 루오프 특훈교수 연구팀과 박수진 포스텍(POSTECH) 교수 연구팀이 공동으로 기존 사용되던 흑연소재보다 5배 빨리 충전되고 용량도 2배 이상 늘어난 리튬이온 배터리용 '산호모양 실리콘' 소재를 개발했다고 6일 밝혔다.

고성능 전기차 배터리는 에너지 용량이 크고 충전시간을 짧아야 한다. 기존 음극 소재인 흑연은 용량에 한계가 있고 고속충전 중 음극 표면에 리튬 금속이 석출돼 배터리 성능도 떨어진다. 용량이 10배 이상 큰 실리콘이 주목받고 있지만, 충·방전시 부피 변화가 커서 잘 깨지고 깨진 표면을 따라 고체전해질 계면층이 형성돼 리튬이온의 전달 능력을 떨어뜨린다.

연구진은 물질 단계부터 새로운 설계를 구상했다. 공극이 많은 실리콘 나노와이어를 재료로 해 실리콘의 부피 팽창 문제를 해결했다. 공극은 충전시 팽창한 실리콘을 받아들여 실리콘이 깨지지 않게 했다. 다공성 실리콘 나노와이어를 높은 밀도로 연결해 탄소를 나노미터(㎚) 두께로 얇게 씌우자 '산호 모양 실리콘-탄소 복합체 일체형 전극'이 개발됐으며, 전기전도도가 높아져 고속충전이 가능했다.

일체형 전극이라는 점에서 배터리 에너지 밀도를 높였다. 기존 전극은 리튬 이온이 포함된 활물질, 전자를 전해주는 집전체, 둘을 이어주는 도전제와 바인더가 필요했다. 그만큼 공간을 더 차지해 에너지 밀도도 떨어뜨렸지만 일체형은 이러한 문제를 해결한 것. 연구진이 상용화된 리튬 이온 배터리 평가 조건에서 검증한 결과 10분만 충전해도 흑연의 4배 이상 용량을 유지했다.

루오프 교수는 "에너지 밀도와 출력 밀도 등 고속충전의 필수요소를 충촉한 최초의 실리콘 기반 음극 소재"라면서 "앞으로 고속충전이 가능한 고용량 양극 소재와 함께 쓰여 더 높은 수준의 리튬 이온 배터리를 실현하고 전기차 배터리 산업에 크게 기여할 것"이라고 전망했다.

이번 연구에는 디디에르 프라이밧 성균관대 교수, 린지에 지·시앙롱 리 중국국가나노과학센터 교수가 함께 참여했다. 연구결과는 '에이씨에스 나노'(ACS Nano) 최신호에 실렸다.

somangchoi@