조재필 울산과학기술원 교수 [울산과학기술원 제공. 재판매 및 DB 금지]

울산과학기술원(UNIST)은 조재필 UNIST 에너지화학공학과 특훈 교수팀이 전기차 배터리의 용량과 수명을 대폭 늘릴 수 있는 고용량 음극 소재 내구성 관련 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

현재 전기차에 사용되는 리튬이온배터리에는 흑연 소재가 사용된다. 실리콘 계열 소재는 이론적으로 흑연 소재보다 10배 이상 용량이 크지만 내구성 문제로 사용이 어려웠다. 실리콘 소재는 충·방전 시 실리콘 부피가 360% 부풀어 손상이 쉽고 폭발할 위험이 있어 현재 흑연에 섞어 쓸 수 있는 실리콘계 소재 함량은 5%(400mAh/g급) 정도로 알려져 있다.

연구팀은 이러한 실리콘 소재 내구성을 획기적으로 개선하는 합성 기술을 개발했다. 실리콘 음극 입자 크기를 1㎚ 이하(10억분의 1m)로 줄여 급격한 부피 변화를 막는 합성법을 만든 것이다.

음극재를 이루는 입자들은 핵에 원자들이 달라붙어 점점 커지는 성장 과정을 거쳐 하나의 입자(결정)로 완성되기 때문에 핵은 많이 만들면서 핵 성장은 억제하면 입자를 작게 만들 수 있다.

연구팀은 실리콘 핵 형성 이후 바로 성장을 억제할 수만 있다면 실리콘 크기를 매우 작게 구현할 수 있을 것이라는 가정을 세웠다. 이어, 실리콘 원료인 실레인 가스와 함께, 그보다 더 안정한 에틸렌(C2H4) 가스를 주입하면 핵 성장이 억제되는 것을 확인했다.

이를 바탕으로 실제 실험을 진행한 결과 ‘1나노 이하 실리콘’이 형성될 수 있다는 것을 밝혔다. 이렇게 합성된 음극재 부피 팽창률은 상용 흑연 소재(13%)와 유사한 15% 정도로 나왔다. 또 2,800회 충·방전을 반복한 후에도 초기 용량의 91%를 유지했다.

 

울산과기원 연구팀이 개발한 음극 소재 합성 과정 [UNIST 제공. 재판매 및 DB 금지]

연구팀은 실리콘계 음극 소재를 적용한 배터리 셀에서 500회 이상 충·방전 수명을 갖는 유의미한 실험 결과가 보고된 전례가 없다고 설명했다. 연구팀이 개발한 방식은 흑연 위에다 바로 실리콘카바이드 합성이 가능해 흑연과 실리콘카바이드를 섞는 별도 공정이 필요 없다.

연구팀은 “전기차(EVs)뿐만 아니라 고용량 에너지 저장 시스템(ESS)에도 적용이 가능할 전망”이라며 “이 합성 기술은 모든 공정이 건식 공정이라 대량 생산이 쉽고 생산 비용 절감 효과도 있을 것”이라고 기대했다.

이번 연구 결과는 네이처 에너지(Nature Energy)에 12월 13일 자로 공개됐다.

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