충전은 빠르게 용량은 크게…전기차 배터리 혁신기술 개발

UNIST 조재필 교수팀, 차세대 급속 충전용 고용량 음극소재 원천기술 확보

차세대 배터리 음극소재를 개발한 연구팀의 모습_왼쪽부터 채수종 연구원 김남형 연구원 마지영 연구원 조재필 교수 /사진=UNIST

【울산=최수상 기자】 전기차에 적합한 급속 충전용 고용량 배터리를 만들 기술이 개발됐다. 기존 흑연 음극소재 단점을 보완한 혁신 원천기술로 주목받고 있다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부의 조재필 교수팀은 기존 흑연 음극소재보다 빨리 충전되고 더 오래 쓸 수 있는 차세대 음극소재를 개발했다고 16일 밝혔다.

흑연에 리튬이온이 빠르게 다닐 수 있는 통로를 많이 만들고, 그 위에 실리콘을 나노 두께로 얇게 코팅한 것이 핵심이다.

이 기술을 전기자동차용 배터리에 적용하면 충전 시간을 단축하고 주행거리를 늘리는 데 크게 기여할 것으로 연구진은 전망하고 있다.

조 교수는 "실리콘 나노 코팅 원천기술로 머리카락의 만 분의 일에 가까운 두께(20㎚ 이하)의 실리콘을 흑연 표면 위에 고르게 코팅해 고성능 흑연·실리콘 복합체를 구현했다"며 "전체 공정이 비교적 간단하고 저렴해 대량생산도 가능하다는 장점이 있다"고 말했다.

이어 "이번 연구는 전기자동차나 대용량 에너지저장장치(ESS)처럼 에너지 밀도가 크고 출력이 높은 배터리에 쓰일 음극소재를 만드는 데 성공적으로 적용할 수 있을 것"이라고 덧붙였다.

전기자동차는 동력원인 이차전지 용량을 키우고 충전시간을 줄이는 게 중요하다.기존 흑연 음극소재는 리튬이온을 저장할 수 있는 용량 자체가 적고, 고속으로 충전하면 음극소재 표면에 리튬 금속이 석출(온도에 따라 용질이 결정되는 현상)돼 전지 성능과 안전성을 떨어뜨린다.

실리콘 소재는 흑연보다 10배 이상 용량이 커 흑연 음극소재의 이런 단점을 극복할 수 있어 차세대 음극 물질로 주목받고 있다. 하지만 실리콘 소재는 전기 전도도가 낮고, 충전과 방전 시 부피가 급격히 변하는 문제가 있다. 이 때문에 고용량과 고속 충전을 동시에 구현하는 리튬이온전지를 만드는 기술은 현재까지 어려운 문제로 남아 있었다.

조 교수팀 개발한 것은 기존 음극소재 한계를 극복하기 위해 새로운 구조를 가진 흑연·실리콘 복합체를 합성하는 방법이다.

이 방법으로 합성한 '가장자리 활성화 흑연·실리콘 복합체'는 상용화된 전극 조건에서 1.5배 빨리 충전됐고, 용량도 50% 정도 늘어난 것으로 나타났다.

연구결과는 세계적인 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 온라인판에 게재됐다. [e-mail]

최수상 기자