포스텍·서울대 공동 연구팀, 20분 충전으로 서울~부산 왕복 전기차…기술 실마리 찾았다.

실리콘 음극재 활용한 기술로 급속·반복 충전 기능↑

포스텍 박수진 교수

포스텍 제민준 박사

서울대 최장욱 교수

20분 만에 충전하고 서울에서 부산을 왕복할 수 있는 전기차를 가능케 하는 배터리 기술이 국내 연구진에 의해 보다 현실화됐다.

포스텍(포항공대) 화학과 박수진 교수, 제민준 박사 연구팀은 서울대 화학생물공학부 최장욱 교수팀, LG에너지솔루션과 함께 2차전지 충전과 방전을 반복해도 쉽게 부서지지 않는 '고강도 실리콘 소재' 개발에 성공했다.

연구는 네이처 커뮤니케이션즈 온라인판에 최근 게재됐다.

전기차의 핵심인 배터리의 숙제는 얼마나 멀리 가고, 얼마나 빨리 충전 가능한지 여부다.

지금까지 전기차 배터리 음극재로 가장 많이 쓰인 소재는 '흑연'인데, 최근 연구결과에서 흑연은 저장가능 에너지 양이 이미 이론적 한계에 다다랐다는 결론이 나왔다.

이에 흑연에 비해 최대 10배 많은 에너지를 저장할 수 있는 실리콘이 주목받기 시작했다. 문제는 실리콘이 충·방전을 반복하는 과정에서 부피가 무려 300%까지 부풀었다 줄어든다는 점이다. 풍선을 반복해서 불면 결국 터지는 것처럼, 실리콘 입자도 갈라지거나 산산조각 난다는 의미다. 입자가 불안정하면 배터리 성능이 빨리 떨어지고 수명도 짧아진다.

이에 연구팀은 반복적인 부피 변화를 견디는 '강도'에 주목했다. 단단하면서도 쉽게 금 가지 않는 구조를 지닌 '구부러져도 돌아오는 금속' 특성을 가진 물질이 필요했던 것이다.

연구팀은 실리콘 산화물 내에 32nm(나노미터) 크기 불화리튬 결정을 정밀하게 배치했다. 여기에 이온은 잘 통과시키고, 전자는 빠르게 이동시키는 특수 코팅층을 입자 표면에 더해 급속충전 성능까지 입혔다.

실험 결과, 연구팀이 개발한 소재는 충·방전 과정에서 부피 변화가 18.9% 수준에 머물렀다. 기존 실리콘의 300% 팽창과 비교하면 사실상 '끄떡없는' 수준이다.

실제 전지 평가에서도 80% 충전 기준 20분 급속충전 조건으로 1천회 이상 반복했지만 안정적으로 작동했다.

연구팀은 이 기술을 실제 전기차에 적용할 경우, 한 번 충전으로 약 1천km 주행이 가능한 전기차 개발을 앞당길 수 있을 것으로 내다봤다.

포스텍 박수진 교수는 "실리콘 음극재가 부서지는 문제를 해결하면서 고에너지 밀도와 급속충전을 동시에 만족하는 차세대 배터리 상용화를 앞당기게 됐다"고 했다.