전기자동차 충전. (사진=자료사진)
전기자동차 배터리의 용량을 높이면서도 더 빠르게 충전할 수 있는 신소재가 개발됐다.
고속충전이 가능한 전기자동차의 상용화가 기대된다.
기초과학연구원(IBS)은 로드니 루오프 다차원 탄소 재료 연구단장 팀과 박수진 포항공과대 교수팀 등 국내외 연구진이 공동으로 고속충전이 가능한 리튬이온 배터리용 실리콘 소재를 개발했다고 6일 밝혔다.
연구팀은 이 소재를 배터리의 음극으로 사용했을 때 기존 대비 5배 더 빨리 충전되는 것을 확인했다. 또 2배 이상 용량을 늘릴 수 있는 것은 물론 충‧방전을 반복해도 안정적인 구조를 유지한다는 점도 입증했다.
고성능 전기자동차의 상용화를 위해서는 지금보다 배터리 에너지 용량을 늘리고 충전 시간을 단축하는 것이 필요하다.
하지만 현재 배터리의 음극에 사용되는 소재인 흑연은 이론적인 용량 한계가 있을뿐더러 고속충전 시 음극 표면에 리튬 금속이 석출돼 배터리 전체의 성능과 안정성을 낮춘다는 문제가 있다.
이런 이유로 흑연을 대신할 음극 소재로 실리콘이 주목받지만, 충‧방전 시 부피 변화가 커 잘 깨지고 깨진 표면을 따라 고체 전해질 계면층이 두껍게 형성돼 리튬 이온의 전달 특성을 저하한다는 단점이 있다.
실리콘을 이용한 고에너지‧고속충전 리튬 이온 배터리를 개발하는 일은 아직 풀어야 할 숙제로 남아있다.
산호 모양 실리콘-카본 복합체 일체형 전극의 구조. (사진=기초과학연구원 제공)
공동연구진은 물질 단계부터 새로운 설계를 제안하며 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 연결하고 여기에 탄소를 나노미터 두께로 얇게 씌웠다.
이렇게 만들어진 산호 모양의 '실리콘-탄소 복합체 일체형 전극'은 전기 전도도가 향상돼 고속충전을 가능하게 한다.
일체형 전극 구조는 배터리 에너지 밀도를 높이는 데 기여한다는 게 기초과학연구원의 설명이다.
기존 전극은 리튬 이온이 포함된 활물질과 전자를 전해주는 집전체, 둘을 이어주는 도전제와 바인더 등이 필요했다. 공간을 많이 차지해 에너지 밀도도 떨어뜨리는데 이 문제를 개선한 것이다.
로드니 루오프 단장은 "이 기술은 훗날 고속충전이 가능한 고용량 양극 소재와 함께 쓰여 더 높은 수준의 리튬 이온 배터리를 실현할 것"이라며 "전기차 배터리 산업에 크게 기여할 것"이라고 전망했다.
연구 결과는 세계적인 학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano, IF 13.709) 최신호(2월 26일자)에 실렸다.