헬로티 이동재 기자 |

국내 연구진이 전기차의 주행거리를 대폭 늘릴 수 있는 음극재 합성 기술을 개발했다. 합성 기술은 고용량 음극 소재를 상용화하는 데 걸림돌로 지적됐던 내구성 문제를 해결했다.

UNIST 에너지화학공학과 조재필 특훈교수팀이 고용량 음극 소재인 실리콘계열 소재의 내구성을 획기적으로 개선하는 합성 기술을 개발했다.

실리콘은 기존에 리튬이온배터리 음극 소재로 널리 쓰이고 있는 흑연보다 용량이 10배나 커 전기차의 주행거리를 대폭 늘릴 수 있는 소재로 주목받았지만, 충·방전 때마다 실리콘 부피가 수배 이상(360%) 부풀어 올라 구조적 손상이 발생하기 쉽고 위험하다는 점 때문에 상용화가 어려웠다.

실리콘의 급격한 부피 변화를 막기 위해서는 실리콘 음극재 입자를 최대한 작게 만들어야하는데, 덩어리 실리콘을 잘게 부수는 등의 방식 등으로는 한계가 있었다.

조 교수팀은 핵 성장 억제에서 답을 찾았다. 음극재를 이루는 입자들은 씨앗 단계인 핵에 원자들이 달라붙으면서 점점 커지는 성장 과정을 거쳐 하나의 입자로 완성되는데, 핵 성장은 억제를 통해 입자를 작게 만들 수 있다는 설명이다.

조 교수팀이 고안한 합성법으로는 입자 크기를 1나노미터 이하(10억분의 1미터)로 줄일 수 있다. 합성된 음극재의 부피 팽창률은 흑연 소재와 유사한 15% 내외에 불과했다. 흑연 소재는 충전 시 13% 정도 팽창한다.

상용 수준의 각형 셀 평가에서도 2800회 충·방전을 반복한 후에도 초기 용량의 91%를 유지했다. 이러한 우수한 특성을 갖는 음극 소재는 전기자동차뿐만 아니라 고용량 에너지 저장 시스템(ESS)에도 적용이 가능할 전망이다.

성재경 박사는 “실리콘 입자 성장 과정에 대한 심도 있는 이해를 바탕으로 실리콘 음극재의 고질적인 문제들을 효과적으로 해결할 수 있는 새로운 합성법을 개발할 수 있었다”라고 설명했다.

조재필 특훈교수는 “실리콘 음극재 나노 입자를 만들기 위해 습식공정이나 기계적 파쇄 공정 등이 보편적으로 쓰였지만, 이는 원가 상승 문제뿐만 아니라 성능 개선에 한계가 있다”라며 “이번에 개발된 합성 기술은 모든 공정이 건식 공정이라 대량 생산이 쉽고 생산 비용 절감 효과도 있을 것”이라고 기대했다.

이번 연구 결과는 에너지 분야의 세계적인 학술지인 네이처 에너지(Nature Energy)에 12월 13일자로 공개됐다.