고용량·급속충전…새로운 전기차 배터리 개발

포스텍

전기차가 충전되는 모습을 나타낸 그래픽. 게티이미지뱅크

국내 연구진이 전기차 배터리 저장 용량을 획기적으로 개선할 수 있는 배터리 소재를 개발했다. 

포스텍은 김원배 화학공학과·친환경소재대학원 교수 연구팀이 실리콘 음극재에 전도성 고분자를 도입해 고속 충전이 가능하면서 고용량과 안정성을 유지하는 배터리 소재를 개발했다고 5일 밝혔다.

전기차 배터리 음극에 주로 사용되는 흑연은 에너지 저장 용량에 한계가 있어 이론적으로 흑연에 비해 10배 이상 많은 에너지를 저장할 수 있는 실리콘 음극 활물질이 대안으로 떠오르고 있다.

하지만 충전과 방전 과정에서 음극 부피가 최대 300%까지 증가하며 불안정한 고체 전해질막(SEI)이 형성되고 이로 인해 실리콘 입자가 깨져 배터리 성능과 안정성, 내구성이 떨어지는 문제가 있었다. 

고체 전해질막은 음극과 전해질 간 접촉을 차단해 불필요한 화학 반응을 억제한다. 전자와 이온의 이동을 돕지만 배터리를 계속해서 사용할수록 안정성이 낮아진다. 특히 실리콘 음극재는 충전과 방전을 반복하는 동안 부피의 변화가 크기 때문에 고체 전해질막의 안정성은 더욱 저하된다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 'p-톨루엔설폰산'이 적용된 전도성 고분자 폴리아닐린을 사용해 인공 고체 전해질막을 만들고 음극 표면에 부착했다. 이 고분자층은 층상 구조로 이뤄져 있어 층마다 리튬 이온을 저장할 수 있으며 강력한 수소 결합을 통해 음극의 표면에 균일한 피막을 형성했다.

분석 결과 전기차 배터리가 작동하며 자연적으로 생성되는 고체 전해질막이 음극 표면에 고르게 형성되도록 유도됐다. 연구팀이 만든 인공 고체 전해질막과 자연 고체 전해질막이 통합된 전도성 고분자층이 만들어졌다.

이렇게 만들어진 통합 고체 전해질막은 급격한 음극 부피 변화로 인한 응력을 효과적으로 분산해 음극의 부피 팽창을 완화했다. 실험 결과 연구팀의 통합 고체 전해질막을 적용한 배터리는 1그램(g)당 10암페어(A)의 높은 전류 밀도에서 1g당 570밀리암페어(mAh)의 배터리 용량을 기록했다. 이는 배터리를 급속 충전하는 과정에서도 에너지 용량을 안정적으로 유지할 수 있음을 의미한다.

특히 배터리는 고속충전 조건에서 250여 회 작동한 후에도 상용화된 음극재가 포함된 배터리 대비 최소 400% 이상 높은 에너지 용량을 유지하는 데 성공했다.

김원배 교수는 "에너지밀도가 높은 실리콘 음극활물질의 실질적 활용을 위해 기존 한계를 극복할 방법으로 고려할 수 있다"며 "후속 연구를 통해 전기차 주행거리와 내구성, 충전 속도 모두 개선하는 연구를 계속하겠다"고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘에너지 화학회지’에 7월 21일 게재됐다.

[박정연 기자 hesse@donga.com]