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전기차 5배 빠르게 충전할 수 있는 산호 닮은 신소재 나왔다

고속 충전‧대용량 가능한 리튬이온배터리 음극 소재 개발

'바다의 꽃'으로도 불리는 산호를 꼭 닮은 신소재가 개발됐다. 기초과학연구원(IBS) 다차원 탄소재료 연구단은 박수진 포항공대 교수팀과의 공동연구를 통해 리튬이온배터리 충전 속도를 5배 높일 수 있는 새로운 음극 소재 물질을 개발했다.

IBS 다차원 탄소재료 연구단 산호와 모습이 꼭 닮은 신소재를 개발했다. (출처: PEXELS)
▲ IBS 다차원 탄소재료 연구단 산호와 모습이 꼭 닮은 신소재를 개발했다. (출처: PEXELS)

전기자동차 등 고성능을 요구하는 제품이 늘어나며 더 빠르게 충전되면서도 대용량인 배터리 개발이 요구되는 상황이다. 하지만 현재 리튬이온배터리의 음극에 사용되는 소재인 흑연은 이론적 용량 한계가 있을뿐더러, 고속충전 시 음극 표면에 리튬 금속이 석출돼 배터리 전체의 성능을 낮춘다는 문제가 있다.

과학자들은 흑연을 대체할 소재로 실리콘에 주목했다. 실리콘은 흑연보다 용량이 10배 이상 커 고에너지 배터리로 적합하기 때문이다. 아직 남은 숙제는 충‧방전 시 부피 변화가 커서 잘 깨지는 실리콘의 고질적 문제를 해결하는 것이다.

연구진이 새로 개발한 전극의 구조. 다공성 실리콘 나노와이어를 산호 모양처럼 이어 붙여 만든다. (출처: ACS Nano)
▲ 연구진이 새로 개발한 전극의 구조. 다공성 실리콘 나노와이어를 산호 모양처럼 이어 붙여 만든다. (출처: ACS Nano)

공동연구진은 물질 단계부터 새로운 설계를 제안하며 이 문제를 해결했다. 우선 구멍이 많은 실리콘 나노와이어 구조체를 재료로 사용해 실리콘의 부피 팽창 문제를 완화했다. 내부 구멍들은 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 전기전도도가 향상돼 고속 충전이 가능했다.

이번 연구의 공동 제1저자인 빈 왕 IBS 다차원 탄소재료 연구단 연구위원은 "산호 모양 실리콘의 다공성 구조는 배터리에 적용했을 때 리튬이온을 빠르게 전달하도록 돕고, 탄소 층 덕분에 전극의 저항을 줄이는 동시에 계면 안정성까지 확보할 수 있었다"고 설명했다.

산호 모양의 실리콘-탄소 복합체 일체형 전극 제조과정. (출처: ACS Nano)
▲ 산호 모양의 실리콘-탄소 복합체 일체형 전극 제조과정. (출처: ACS Nano)

한편 이런 일체형 전극 구조는 배터리의 에너지 밀도를 높이는 데도 기여하는 것으로 확인됐다. 기존 전극은 리튬이온이 포함된 활물질과 전자를 전해주는 집전체, 둘을 이어주는 도전제, 바인더 등이 필요했다. 공간을 많이 차지해 에너지 밀도를 떨어뜨리는데, 일체형 구조로 이 문제를 개선한 것이다. 결과적으로 에너지 저장 공간이 늘어나 10분만 충전해도 흑연 전극 기반 배터리보다 4배 높은 용량을 나타냈다.

다공성 실리콘 나노와이어의 고해상도 투과전자현미경 이미지. 5~10nm 크기의 구멍들이 위치한 것을 확인할 수 있다. (출처: ACS Nano)
▲ 다공성 실리콘 나노와이어의 고해상도 투과전자현미경 이미지. 5~10nm 크기의 구멍들이 위치한 것을 확인할 수 있다. (출처: ACS Nano)

공동 교신저자인 박수진 교수는 "산호 모양 실리콘-탄소 일체형 전극은 똑같은 부피에서 에너지 밀도와 출력 밀도를 모두 높여 '두 마리 토끼를 잡는 기술'"이라고 설명했다. 이어 로드니 루오프 단장은 "이 기술은 향후 고속충전이 가능한 고용량 양극 소재와 함께 쓰여 더 높은 수준의 리튬이온배터리를 실현할 것"이라고 말했다.

이번 연구결과는 세계적인 학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano) 2월 26일자에 실렸다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬

Center for Multidimensional Carbon Materials (다차원 탄소재료 연구단)

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    최종수정일 2019-01-30 19:14