전기차 배터리 충전 속도가 더 빨라지고, 더 많이 저장할 수 있는 방법이 개발됐다.

UNIST 로드니 루오프(Rodney S. Ruoff) 특훈교수 연구진과 포스텍 박수진 교수팀이 고속으로 충전할 수 있는 리튬 이온 배터리용 실리콘 소재를 개발했다고 6일 밝혔다.

연구진이 전기차 배터리에서 음극에 사용하는 이 소재를 이용해 상용화 조건에서 시험했더니 현재보다 5배 빨리 충전되고 용량도 2배가 넘었다.

전기차가 보편화되려면 전기차 배터리가 지금보다 용량이 늘고, 충전시간이 줄어야 한다. 하지만 현재 사용하는 음극 소재인 흑연은 이론적으로 용량 한계를 지닌다. 게다가 고속충전 시 음극 표면에 리튬 금속을 만들어 배터리 성능과 안정성을 떨어뜨린다.

연구진은 흑연을 대신할 음극 소재로 실리콘을 이용했다. 흑연보다 용량이 10배가 넘어 고에너지 배터리에 많이 시도되고 있는 소재다. 하지만 실리콘은 충전과 방전 과정에서 부피 변화가 커 잘 깨지며, 배터리 성능을 떨어뜨리는 문제를 발생시킨다.

연구팀은 이 문제를 산호 모양 실리콘 소재 개발로 풀어냈다. 우선 구멍이 많은 실리콘 나노와이어를 재료로 써서 실리콘 부피 팽창 문제를 완화했다. 다음으로 다공성 실리콘 나노와이어를 높은 밀도로 연결시키고, 여기에 탄소를 나노미터(㎚) 두께로 얇게 씌웠다. 이렇게 만든 ‘산호 모양 실리콘-탄소 복합체 일체형 전극’은 전기 전도도가 향상돼 고속충전을 할 수 있다. 이 같은 구조 변화로 충전 시 크게 부풀고, 부서지던 실리콘 단점이 해결됐다.

특히 이 기술은 일체형 전극이라는 점에서 배터리 에너지 밀도를 높이는 데도 기여할 전망이다. 기존 전극은 리튬 이온이 포함된 활물질과 여기에 전자를 전해주는 집전체, 둘을 이어주는 도전제와 바인더 등이 필요했다. 그만큼 공간을 더 차지해 에너지 밀도도 떨어뜨렸다.

박수진 교수는 “산호 모양 실리콘-탄소 일체형 전극은 똑같은 부피에서 에너지 밀도와 출력 밀도를 모두 높이는 ‘두 마리 토끼를 잡는 기술’”이라며 “고속충전 필수요소를 모두 충촉한 최초 실리콘 기반 음극 소재”라고 강조했다. 루오프 교수는 “이 기술은 훗날 고속충전이 가능한 고용량 양극 소재와 함께 쓰여 더 높은 수준의 리튬 이온 배터리를 실현할 것이며, 전기차 배터리 산업에 크게 기여할 것”이라고 전망했다.

이번 연구결과는 세계적인 학술지 에이씨에스 나노(ACS Nano) 최신호(2월 26일자)에 게재됐다.

[테크M = 박응서 기자(gopoong@techm.kr)]