“1회 충전 1000㎞ 달릴수 있을까”…포스텍, 실리콘-젤 전해질 시스템 개발

국내 연구팀이 마이크로 실리콘 기반 차세대 고에너지 밀도 리튬이온 배터리 시스템을 개발했다. 1회 충전으로 1000㎞를 달리는 전기차 개발이 앞당겨질 전망이다.

포스텍(POSTECH)은 박수진 화학과 교수, 통합과정 제민준 씨, 손혜빈 박사 연구팀이 젤(gel) 형태의 고분자 전해질을 사용해 저렴하면서도 안정적인 마이크로 실리콘 기반 차세대 고에너지 밀도 리튬이온 배터리 시스템을 개발했다고 26일 밝혔다.

실리콘-젤 전해질 시스템을 개발한 포스텍 연구팀. 왼쪽부터 박수진 포스텍 교수, 통합과정 제민준 씨, 손혜빈 박사

실리콘 음극재는 충·방전 시 부피가 3배 이상 팽창하고 수축하기 때문에 배터리 효율이 크게 떨어진다. 값비싼 나노 실리콘을 활용하면 문제를 일부 해결할 수 있지만, 제조 공정이 매우 복잡하고 까다로우며 천문학적 비용이 필요하다.

반면, 마이크로 실리콘은 가격과 에너지 밀도 측면에서 실용성은 비교적 높지만, 배터리 작동 중에 부피가 팽창되는 문제가 있어 음극재로 사용하기엔 한계가 있었다.

경제적이면서도 안정적인 실리콘 기반 배터리 시스템을 개발하기 위해 연구팀은 젤 전해질을 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.

전자빔 조사 공정을 통한 마이크로 실리콘과 젤 전해질 간 공유 결합 형성 그림

연구팀은 전자빔을 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(5㎛)를 사용함에도 안정적인 전지 구동력을 보였다. 또, 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”고 말했다.

한국연구재단 개인기초연구사업의 지원으로 진행된 이번 연구성과는 최근 국제 학술지인 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 온라인 게재됐다.

포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com