순천향대 안욱 교수 전기차용 차세대 배터리 핵심소재 개발

순천향대학교 에너지공학과 안욱 교수

[충청타임즈] 순천향대학교가 차세대 배터리 핵심 소재 분야에서 기술적 돌파구를 마련했다. 고용량과 장수명이라는 상충 과제를 동시에 해결할 수 있는 리튬이온전지 음극 소재를 개발하며 전기차·에너지저장장치(ESS) 시장에서의 활용 가능성을 제시했다.

순천향대(총장 송병국)는 에너지공학과 안욱 교수 연구팀이 고성능 실리콘-그래핀 복합 음극 소재를 개발했다고 25일 밝혔다. 이번 연구는 한국생산기술연구원 임성남 책임연구원, 국립부경대 전윤석 교수 연구팀과 공동으로 수행됐으며, 연구 결과는 공학 분야 상위 0.3% 수준의 국제학술지 'Composites Part B-Engineering' 2026년 3월호에 게재됐다.

리튬이온전지 음극 소재로 널리 사용되는 흑연은 안정성이 높은 대신 에너지 저장 용량이 제한적인 반면, 실리콘은 이론용량이 높아 차세대 소재로 주목받아 왔다. 그러나 충·방전 과정에서 300% 이상의 부피 팽창이 발생하고 전해질 계면(SEI)이 불안정해 수명이 급격히 감소하는 문제가 상용화의 가장 큰 걸림돌로 지적돼 왔다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 태양광 폐기물에서 회수한 실리콘 나노입자를 환원 그래핀 산화물 나노리본(rGONRs) 구조 내부에 균일하게 분산시키는 동결건조 공정을 적용했다. 이를 통해 다공성 3차원 복합 구조를 구현, 충·방전 시 발생하는 부피 팽창을 효과적으로 흡수하면서 전기전도성과 이온 이동성을 동시에 높였다.

특히 예비리튬화(prelithiation) 기술을 접목해 초기 쿨롱 효율을 기존 58.9% 수준에서 100% 이상으로 끌어올렸고, 안정적인 전해질 계면 형성을 유도해 장기 수명 문제도 개선했다.

성능 평가에서도 뚜렷한 성과가 확인됐다. 개발된 복합 음극은 200 mA/g 조건에서 1600 mAh/g에 달하는 가역용량을 기록했으며, 고속 충·방전 환경에서도 높은 용량을 유지했다. 수백 회 이상의 반복 충·방전 이후에도 높은 용량 유지율을 보였고, 전극 두께 팽창률 역시 기존 실리콘 음극 대비 크게 낮아 구조적 안정성이 향상된 것으로 나타났다.

이번 연구는 폐태양광 소재를 재활용해 고부가가치 배터리 소재로 전환했다는 점에서도 의미가 크다. 친환경성과 성능 개선을 동시에 확보한 기술로, 향후 배터리 산업 전반에 파급력이 클 것으로 평가된다.

안욱 교수는 "실리콘 음극은 높은 에너지 저장 능력에도 불구하고 부피 팽창과 초기 효율 저하 문제로 상용화에 제약이 있었다"며 "이번에 개발한 동결건조 기반 복합 구조와 예비리튬화 기술은 전기차와 ESS용 고성능 리튬이온전지 개발의 중요한 기반이 될 것"이라고 말했다.

/아산 정재신기자 jjs3580@cctimes.kr