전기차 배터리 용량 4배 늘리고, 빠르게 충전…고분자 기반 배터리 소재 개발

포스텍, 실리콘 음극재에 전도성 고분자 적용
고속 충전...고용량과 안정성 유지 기여

김원배(왼쪽부터) 포스텍 교수, 박정수 석사과정생, 강송규 박사과정생. 포스텍 제공

전기차 배터리를 4배 많은 용량으로 빠르게 충전할 수 있는 소재가 개발됐다.

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 음극활물질이 대안으로 떠오르고 있다. 하지만 충·방전 과정에서 음극 부피가 최대 300%까지 증가해 불안정한 고체 전해질막(SEI)이 형성되고, 이로 인해 실리콘 입자가 깨져 배터리 성능과 안정성, 내구성이 떨어진다.

고체 전해질막은 음극과 전해질 간 접촉을 막아 불필요한 화학 반응을 억제하고, 전자와 이온의 이동을 돕지만 배터리를 계속 사용할수록 안정성이 낮아진다.

연구팀은 p-톨루엔설폰산이 도핑된 폴리아닐린을 사용해 인공 고체 전해질막을 만들어 음극 표면에 부착했다. 이 고분자층은 층상 구조로 이뤄져 층마다 리튬 이온을 저장할 수 있으며, 강력한 수소 결합을 통해 음극의 표면에 균일한 피막을 형성했다. 그 결과, 전기차 배터리 작동으로 자연적으로 생성되는 고체 전해질막이 음극 표면에 고르게 형성되도록 유도돼 인공 고체 전해질막과 자연 고체 전해질막이 통합된 전도성 고분자층이 만들어졌다.

통합된 전도성 고분자층은 급격한 음극 부피 변화로 인한 응력을 효과적으로 분산해 음극의 부피 팽창을 완화했다. 실험 결과, 배터리는 고속 충전 조건에서 250여 회 작동한 후에도 상용화된 음극재가 포함된 배터리 대비 최소 400% 이상의 높은 에너지 용량을 유지했다.

김원배 포스텍 교수는 "통합된 고체 전해질막을 적용한 배터리는 급속 충전하는 과정에서 에너지 용량을 안정적으로 유지했다"며 "앞으로 전기차 주행거리와 내구성, 충전 속도를 개선하는 후속 연구를 진행할 계획"이라고 말했다.

이 연구결과는 에너지·재료화학 분야 국제 학술지 '에너지화학저널(지난 7월 21일)'에 게재됐다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr