포스텍 화학과 박수진 교수 연구팀이 서강대 류재건 교수팀과 공동으로, 실리콘 전극과 전해질을 단단히 결합해 안정적인 성능을 유지하는 차세대 실리콘 배터리 기술을 개발했다.

스마트폰·노트북 등 현재 배터리는 대부분 흑연 음극 소재를 사용하지만, 실리콘은 에너지 밀도가 훨씬 높아 차세대 음극 소재로 주목받고 있다.

다만 실리콘은 충·방전 시 부피가 약 3배 증가·감소해 전극과 전해질 사이에 틈이 생기며 성능 저하가 발생하는 것이 큰 약점이다.

이에 따라 고체 또는 준고체 전해질을 도입하는 연구가 이뤄지고 있으나, 실리콘의 반복적인 팽창·수축으로 인해 계면 안정성 확보에 한계가 있었다.

박수진 교수 연구팀은 이를 해결하기 위해 전극과 전해질이 화학적으로 엉켜 고정되는 구조, 즉 ‘IEE(In Situ Interlocking Electrode–Electrolyte) 시스템’을 개발했다.

이 시스템은 단순한 물리적 접촉이 아닌 공유결합 기반의 밀착 구조를 갖추고 있어 실리콘 전극이 팽창하더라도 계면이 유지된다.

실험 결과, 기존 배터리는 반복 충·방전으로 성능이 급격히 감소했지만, IEE 시스템을 적용한 배터리는 오랜 시간 안정적인 성능을 유지했다.

에너지 밀도 역시 무게 기준 403.7Wh/kg, 부피 기준 1300Wh/L로 기존 리튬이온배터리 대비 각각 60% 이상, 2배 가까운 향상을 기록했다.

박 교수는 “고에너지 밀도와 고안정성을 동시에 만족하는 전지 기술로, 다양한 분야에서의 차세대 배터리 상용화 가능성을 제시한 것”이라고 밝혔다.

연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 게재되었다.

[발췌: 동아사이언스]