전기자동차 배터리의 용량을 높이면서도 더 빠르게 충전할 수 있는 신소재가 개발됐다. 새로 개발된 소재는 산호와 꼭 닮은 모양의 실리콘 소재로, 전기자동차용 배터리의 흑연 음극 소재를 대체할 수 있다.

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철) 로드니 루오프(Rodney S. Ruoff) 다차원 탄소재료 연구단장 팀은 박수진 포항공과대(POSTECH) 교수팀 등 국내외 연구진¹⁾과 공동으로 고속충전이 가능한 리튬이온 배터리용 실리콘 소재를 개발했다. 이 소재를 배터리의 음극으로 사용했을 때 기존 대비 5배 더 빨리 충전되고, 2배 이상 용량을 늘릴 수 있는 것은 물론 충‧방전을 반복해도 안정적인 구조를 유지한다는 점도 확인했다.

고성능 전기자동차의 상용화를 위해서는 지금보다 배터리의 에너지 용량을 늘리고, 충전시간을 단축하는 일이 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 상황에서 흑연을 대신할 음극 소재로 실리콘이 주목받고 있다. 실리콘은 흑연보다 용량이 10배 이상 커서 고에너지 배터리²⁾에 적용하기 유리하기 때문이다. 하지만 실리콘은 충‧방전 시 부피 변화가 커서 잘 깨지고, 깨진 표면을 따라 고체전해질 계면층³⁾이 두껍게 형성돼 리튬 이온의 전달 특성을 저하시킨다는 단점이 있다. 이 때문에 실리콘을 이용한 고에너지‧고속충전 리튬 이온 배터리를 개발하는 일은 아직까지 풀어야 할 숙제로 남아있다.

공동연구진은 물질 단계부터 새로운 설계를 제안하며 이 문제를 해결했다. 우선 구멍(공극)이 많은 실리콘 나노와이어⁴⁾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(Bin Wang) 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.

일체형 전극 구조는 배터리 에너지 밀도를 높이는 데 기여한다. 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. 공동 제1저자인 류재건 POSTECH 박사는 "일체형이 되면서 에너지 저장 공간이 늘어났고 산호 모양의 3차원 구조로 전도성도 향상됐다"며 "10분만 충전해도 흑연의 4배 이상 용량을 유지했다"고 말했다.

박수진 교수는 "산호 모양 실리콘-탄소 일체형 전극은 똑같은 부피에서 에너지 밀도와 출력 밀도를 모두 높이는 '두 마리 토끼를 잡는 기술'"이라며 "고속충전의 필수요소를 모두 충족한 최초의 실리콘 기반 음극 소재"라고 강조했다.

이어 로드니 루오프 단장은 "이 기술은 훗날 고속충전이 가능한 고용량 양극 소재와 함께 쓰여 더 높은 수준의 리튬 이온 배터리를 실현할 것이며 전기차 배터리 산업에 크게 기여할 것"이라고 전망했다.

연구결과는 세계적인 학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano, IF 13.709) 최신호(2월 26일자)에 실렸다.
* 논문/저널명: Ultrafast-Charging Silicon-Based Coral-Like Network Anodes for Lithium-Ion Batteries with High-Energy/Power Densities / ACS Nano
* 저자정보: Bin Wang, Jaegeon Ryu, Sungho Choi, Xinghao Zhang, Didier Pribat, Xianglong Li, Linjie Zhi, Soojin Park* and Rodney S. Ruoff*

그림설명

▲ [그림1] 산호 모양 실리콘-카본 복합체 일체형 전극의 구조(a)개발된 복합체 전극의 개요. 상호 연결된 구조는 이온과 전자의 이동을 빠르게 향상시키고, 전극의 에너지 밀도를 높인다. 실리콘 나노와이어의 다공성 구조는 실리콘이 깨지는 것을 막아주며 이온 전달 속도를 높인다. 나노 두께의 탄소층은 연속적으로 이어진 전자의 길을 만들어 준다. (b)와 (c)는 산호 모양 실리콘-카본 복합체 일체형 전극의 저/고배율의 주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy, SEM) 사진. (d)와 (e)는 저/고배율의 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM) 사진이다.

▲ [그림2] 산호 모양 실리콘-카본 복합체 일체형 전극의 전지 특성(a)충전 속도에 따른 전압 그래프로서 아래쪽(Control)에 보이는 일반 실리콘 전극은 큰 과전압을 가지며, 전극의 표면에 리튬 금속이 석출되는 것을 확인할 수 있다. (내부사진: 고속충전 평가 후, 전극의 표면 사진). (b)복합체 전극의 전체 전지(Full Cell) 평가 결과로서 가장 보편적인 양극 소재인 리튬코발트산화물(LiCoO₂)과 함께 사용했을 때의 안정성 평가 자료. (c)복합체 전극의 전체 전지(Full Cell) 평가 결과로서 상대적으로 빠른 충전이 가능한 리튬인산철산화물(LiFePO₄)을 함께 썼을 때 안정성과 고속충전 평가 자료.