얼마 전 막을 내린 ‘CES(정보기술·가전 전시회) 2024‘에서 인공지능과 헬스케어 등 최첨단 과학기술이 소개됐다. 이러한 혁신적인 기술의 핵심은 효율적인 전기 생산을 가능하게 하는 배터리 기술에 있다. 특히 배터리 기술이 현재 가장 많이 활용되는 분야는 전기차다. 지금까지 출시된 전기차의 최대 주행거리는 약 700km에 불과하다. 연구자들의 목표는 이제는 1회 충전으로 1,000km를 달리는 전기차다. 이를 위해 전기차에 사용되는 리튬이온 배터리 음극재로 저장 용량이 큰 실리콘을 활용하려는 연구가 활발하게 진행되고 있지만, 아직 상용화에 어려움이 많다.
POSTECH(포항공과대학교) 화학과 박수진 교수·통합과정 제민준 씨, 손혜빈 박사 연구팀은 젤(gel) 형태의 고분자 전해질을 사용해 저렴하면서도 안정적인 마이크로 실리콘 기반 차세대 고에너지 밀도 리튬이온 배터리 시스템을 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 지난 17일 온라인 게재됐다.
실리콘 음극재는 충·방전 시 부피가 3배 이상 팽창하고 수축하기 때문에 배터리 효율이 크게 떨어진다. 이에 값비싼 나노(10-9m) 실리콘을 활용하면 문제를 일부 해결할 수 있지만, 제조 공정이 매우 복잡하고 까다로우며 천문학적인 비용이 필요하다. 반면, 마이크로(10-6m) 실리콘의 경우 가격과 에너지 밀도 측면에서 실용성은 비교적 높지만, 배터리 작동 중에 발생하는 부피 팽창 문제가 더욱 극심하게 나타나 음극재로 사용하기에 한계가 있었다.
경제적이면서도 안정적인 실리콘 기반 배터리 시스템을 개발하기 위해 연구팀은 젤 전해질(gel polymer electrolyte)을 사용했다. 리튬이온 배터리 내 전해질은 이온이 양극과 음극을 오고 갈 수 있는 중요한 요소다. 젤 전해질은 액체 형태의 일반적인 전해질과 달리 고체나 젤 상태로 존재하는데, 탄성이 있는 고분자 구조를 가져 액체 전해질에 비해 안정성이 높다.
연구팀은 전자빔(electron beam)을 쏘아 마이크로 실리콘 입자와 젤 전해질 간 공유 결합을 형성했다. 이 공유 결합은 리튬이온 배터리 구동 중 부피 팽창으로 인한 내부 응력을 분산시켜 마이크로 실리콘 부피 변화를 완화해 구조적 안정성을 높였다.
그 결과, 기존 나노 실리콘 음극재에 비해 100배 큰 마이크로 실리콘 입자(5μm)를 사용함에도 안정적인 전지 구동력을 보였다. 또, 연구팀의 실리콘-젤 전해질 시스템은 액체 전해질을 사용한 기존 전지와 유사한 이온 전도도를 보였으며, 에너지 밀도는 약 40% 향상됐다. 연구팀의 시스템은 현재 바로 적용할 수 있는 간단한 공정이라는 점에서도 큰 의의가 있다.
박수진 교수는 “마이크로 실리콘 음극재를 사용했음에도 불구하고 구조적 안정성을 크게 증진시켰다”며, “이번 연구를 통해 실용적인 고에너지 밀도 리튬이온 배터리 시스템에 한 발 더 다가섰다”는 말을 전했다.
한편, 이 연구는 한국연구재단 개인기초연구사업의 지원으로 진행됐다.
