1회 충전으로 1000㎞…차세대 전기차 배터리 개발

포스텍 연구진, 전자빔 활용해 일체형 실리콘-젤 전해질 시스템 개발

박수진 포스텍 화학과 교수 연구진이 젤(gel) 형태의 고분자 전해질을 사용해 저렴하면서도 안정적인 마이크로 실리콘 기반의 차세대 고에너지 밀도를 가진 리튬이온 배터리 시스템을 개발했다. 사진은 전자빔 조사 공정을 통한 마이크로 실리콘과 젤 전해질 간 공유 결합 형성 과정./포스텍

국내 연구진이 700㎞에 불과한 전기차의 최대 주행거리를 1000㎞까지 끌어올리는 데 도움을 줄 수 있는 새로운 배터리 기술을 개발했다.

포스텍은 박수진 화학과 교수 연구진이 젤(gel) 형태의 고분자 전해질을 사용해 저렴하면서도 안정적인 마이크로 실리콘 기반의 차세대 고에너지 밀도를 가진 리튬이온 배터리 시스템을 개발했다고 26일 밝혔다.

효율적인 전기 생산을 위한 배터리 기술은 인공지능(AI)과 헬스케어와 같은 최첨단 과학기술의 핵심이다. 특히 배터리 기술이 현재 가장 많이 활용되는 분야는 전기차다. 전문가들은 1회 충전으로 1000㎞를 달리는 전기차를 위해 배터리 개발에 앞장서고 있다. 이를 위해 전기차에 사용되는 리튬이온 배터리 음극재로 저장 용량이 큰 실리콘을 활용하려는 연구가 활발하게 진행되고 있지만, 아직 상용화에 어려움이 많다.

실리콘 음극재는 충·방전 시 부피가 3배 이상 팽창하고 수축하기 때문에 배터리 효율이 크게 떨어진다. 이에 값비싼 나노(nano, 10억분의 1m) 실리콘을 활용하면 문제를 일부 해결할 수 있지만, 제조 공정이 매우 복잡하고 까다로우며 천문학적인 비용이 필요하다. 반면 마이크로(micro, 100만분의 1m) 실리콘의 경우 가격과 에너지 밀도 측면에서 실용성은 비교적 높지만, 배터리 작동 중에 발생하는 부피 팽창 문제가 더욱 극심하게 나타나 음극재로 사용하기에 한계가 있었다.

연구진은 경제적이면서도 안정적인 실리콘 기반 배터리 시스템을 개발하기 위해 젤 형태의 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.

연구진은 전자빔을 활용해 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.

이를 적용한 결과, 기존 나노 실리콘 음극재에 비해 100배 큰 5㎛ 마이크로 실리콘 입자를 사용해도 안정적인 전지 구동력을 보였다. 연구진의 실리콘-젤 전해질 시스템은 액체 전해질을 사용한 기존 전지와 유사한 이온 전도도를 보였으며, 에너지 밀도는 약 40% 향상됐다. 연구진의 시스템은 현재 바로 적용할 수 있는 간단한 공정이라는 점에서도 큰 의의가 있다.

연구를 이끈 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 전했다.

이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 이달 17일 온라인 게재됐다.

참고 자료

Advanced Science(2024), DOI: http://doi.org/10.1002/advs.202305298

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