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'산호 모양 실리콘' 전기차 충전속도 5배 앞당긴다

기초과학연구원 "흑연 음극 대체…에너지 밀도·출력 우수"
왼쪽부터 로드니 루오프 IBS 다차원 탄소재료 연구단장, 박수진 포스텍 교수, 류재건 포스텍 박사, 빈 왕 IBS 연구위원 [IBS 제공=연합뉴스]
왼쪽부터 로드니 루오프 IBS 다차원 탄소재료 연구단장, 박수진 포스텍 교수, 류재건 포스텍 박사, 빈 왕 IBS 연구위원 [IBS 제공=연합뉴스]

(대전=연합뉴스) 이재림 기자 = 전기자동차 배터리 충전속도를 높일 수 있는 새로운 소재 기술이 학계에 보고됐다.

기초과학연구원은 로드니 루오프 다차원 탄소재료 연구단장 팀이 박수진 포스텍 교수팀 등과 함께 리튬이온 배터리용 실리콘 소재를 개발했다고 6일 밝혔다.

고성능 전기차 상용화의 첫 번째 과제는 배터리 에너지 용량 증가와 충전 시간 줄이기다.

현재 배터리 음극 소재로는 흑연이 쓰이는데, 이론적인 용량 한계 때문에 대체재 개발 필요성이 대두된다.

실리콘이 그 주인공으로 주목받는 건 이런 이유에서다.

흑연보다 용량이 10배 이상 커서 고에너지 배터리에 적용할 수 있다.

다만, 실리콘은 충·방전 시 부피 변화가 커서 잘 깨진다.

깨진 표면을 따라 고체 전해질 계면 층이 두껍게 형성돼 리튬 이온 전달 특성도 저하한다.

(a) 복합체 전극 개요. 상호 연결된 구조는 이온과 전자의 이동을 빠르게 향상하고, 전극 에너지 밀도를 높인다. 실리콘 나노와이어 다공성 구조는 실리콘이 깨지는 것을 막아주며, 이온 전달 속도를 높인다. 나노 두께 탄소층은 연속적으로 이어진 전자의 길을 만들어 준다.(b·c) 산호 모양 실리콘·카본 복합체 일체형 전극의 저·고배율 주사전자현미경 사진(d·e)는 저·고배율 투과전자현미경 사진 [IBS 제공=연합뉴스]
(a) 복합체 전극 개요. 상호 연결된 구조는 이온과 전자의 이동을 빠르게 향상하고, 전극 에너지 밀도를 높인다. 실리콘 나노와이어 다공성 구조는 실리콘이 깨지는 것을 막아주며, 이온 전달 속도를 높인다. 나노 두께 탄소층은 연속적으로 이어진 전자의 길을 만들어 준다.(b·c) 산호 모양 실리콘·카본 복합체 일체형 전극의 저·고배율 주사전자현미경 사진(d·e)는 저·고배율 투과전자현미경 사진 [IBS 제공=연합뉴스]

공동 연구진은 이런 문제를 해결하기 위해 물질 단계부터 새로운 설계를 제안했다.

구멍(공극)이 많은 실리콘 나노와이어 구조체를 재료로 사용해 실리콘 부피 팽창을 완화했다.

내부 공극은 충전 시 팽창한 실리콘을 받아들여 실리콘이 깨지지 않고 견디게 돕는다.

이후 다공성 실리콘 나노와이어를 높은 밀도로 서로 연결했다.

여기에 탄소를 나노미터 두께로 얇게 씌웠다.

그랬더니 산호 모양의 실리콘·탄소 복합체 일체형 전극이 탄생했다.

산호 모양 실리콘·카본 복합체 일체형 전극의 전지 특성 [IBS 제공=연합뉴스]
산호 모양 실리콘·카본 복합체 일체형 전극의 전지 특성 [IBS 제공=연합뉴스]

해당 소재를 배터리 음극으로 사용했을 때 기존보다 5배 더 빨리 충전할 수 있었다고 연구팀은 설명했다.

10분만 충전해도 흑연의 4배 이상 용량을 유지할 수 있는 데다 충·방전을 반복해도 안정적인 구조를 유지했다.

박수진 포스텍 교수는 "똑같은 부피에서 에너지 밀도와 출력 밀도를 모두 높였다"며 "두 마리 토끼를 한꺼번에 잡았다고 보면 된다"고 말했다.

성과를 담은 논문은 '에이씨에스 나노'(ACS Nano) 2월 26일 자에 실렸다.

로드니 루오프 IBS 단장은 "이 기술은 훗날 고속 충전이 가능한 고용량 양극 소재와 함께 쓰여 더 높은 수준의 리튬 이온 배터리를 실현할 것"이라며 "전기차 배터리 산업에 이바지할 것으로 기대한다"고 강조했다.

walden@yna.co.kr

<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지> 2019/03/06 12:00 송고

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