실리콘 음극재 모식도 - 포스텍 제공

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국내 연구진이 전기차 배터리 용량과 충전 속도를 높이면서도 안정성까지 높인 차세대 기술을 개발했다. 실용화 될 경우 화재 발생 우려 감소와 전기차 보급 확산이라는 두 마리 토끼를 잡게 된다.

6일 포스텍(포항공과대학교) 김원배 화학공학과·친환경소재대학원 교수가 이끄는 연구팀은 실리콘 음극재에 전도성 고분자를 결합한 배터리 소재 개발에 성공했다고 밝혔다. 기존 흑연 음극재 배터리 대비 에너지 저장 용량이 4배 늘면서도 고속 충전이 가능하고, 안정성을 유지하는 것이 특징이다.

음극재는 전기차 배터리 저장 용량을 결정하는 역할을 한다. 기존에는 흑연을 주로 사용하지만 에너지 저장 용량에 한계가 있어 주행거리가 짧다는 단점이 있다. 대안으로 떠오르는 음극재는 실리콘으로, 이론상 흑연보다 10배 많은 에너지를 저장할 수 있다. 하지만 충전과 방전을 거듭하면서 음극 부피가 최대 3배까지 커지고, 그 과정에 불안정한 고체 전해질막이 형성돼 사용할수록 안정성과 내구성이 떨어진다.

연구팀은 음극 표면에 인공적으로 고체 전해질막을 부착해 실리콘 음극재의 단점을 보완했다. 인공 고체 전해질막은 충·방전 시 발생되는 고체 전해질막과 통합돼 음극 부피 변화를 효과적으로 분산시키고, 부피 팽창을 완화한다.

연구팀이 인공 고체 전해질막으로 개발한 전지를 이용해 비교한 결과, 고속 충전을 반복해도 상용 전지보다 4배 이상 높은 에너지 용량을 유지하는 것으로 나타났다.

김 교수는 “에너지밀도가 높은 실리콘 음극활물질을 활용해 기존 전기차 배터리 한계를 극복할 수 있다”며 “전기차 주행거리와 내구성, 충전 속도 모두 개선하는 후속 연구를 이어가겠다”고 했다.

포항 김형엽 기자



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