포스텍-서강대 공동연구팀이 기존보다 10배 이상의 용량을 가진 실리콘 음극활물질을 개발했다. 이에 따라 전기차 배터리의 에너지밀도와 함께 주행거리가 상당히 증가할 것으로 전망된다. 지난해 전 세계 전기차 매출이 누적 1조 달러(약 1천283조 원)를 돌파하면서 주행거리를 늘려주는 고용량 배터리에 대한 요구도 증가하고 있다.

최근 포스텍의 박수진 교수(화학과)·김연수 교수(신소재공학과) 연구팀은 류재건 서강대 교수(화공생명공학과) 연구팀과 공동으로 기존 음극활물질인 흑연을 대체하는 안정적인 고용량 음극활물질을 개발했다. 이번 연구 성과는 재료공학 분야 권위지인 『어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈』 표지논문으로 게재됐다.

실리콘과 같은 고용량 음극활물질은 상용화 소재인 흑연보다 10배 이상의 용량을 낼 수 있어 고에너지밀도 리튬이차전지를 만드는 데 꼭 필요하다. 그러나 고용량 음극활물질은 리튬과 반응할 때 부피팽창을 일으켜 전지 성능과 안정성을 떨어뜨린다. 팽창을 억제시켜줄 수 있는 고분자 바인더 연구가 활발히 진행된 이유다.

포스텍-서강대 공동연구팀은 화학적 가교와 수소결합에 집중한 기존 바인더 연구에 양전하와 음전하 사이의 인력인 쿨롱의 힘(250 kJ/mol)을 더했다. 기존의 화학적 가교 방식은 결합이 단단하지만 한 번 끊어지면 회복할 수 없고, 수소결합 방식은 가역적 분자 결합이지만 세기가 약했다. 쿨롱의 힘은 강력한 이차결합인 동시에 가역적이어서 기존 방식의 한계를 극복하며 부피팽창을 쉽게 억제시켜주었다.

또한 전극 내 리튬이온의 이동을 쉽게 하고, 물성을 조절하는 폴리에틸렌글리콜을 통해 두꺼운 고용량 전극도 만들어 음극활물질이 활용된 리튬이차전지의 에너지밀도를 극대화했다고 공동연구팀은 전했다.

박수진 교수는 “이번 연구는 고용량 음극활물질의 도입으로 리튬이차전지의 에너지밀도를 많이 증가시켜서 전기차의 주행거리도 늘릴 수 있을 것으로 예상된다”라며 “실리콘 음극활물질로 주행거리도 10배 이상 늘리는 것이 가능할 것으로 기대한다”라고 말했다.

조준태 기자 aim@kyosu.net

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