POSTECH(포항공과대학교) 화학과 박수진 교수 연구팀이 차세대 배터리의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있는 기술을 개발했다.
연세대 이용민 교수팀과의 공동 연구로, 황화물계 전고체 배터리에 적합한 고용량·고안정성 실리콘계 복합음극 설계 기술을 제시했다. 전고체 배터리는 리튬이온배터리의 한계를 극복할 차세대 에너지 저장 장치로 주목받고 있다. 특히 황화물계 고체전해질은 액체처럼 전류를 잘 전달하면서도 누액이나 화재 위험이 없어 핵심 소재로 평가된다.

하지만 기존 고용량 음극 소재인 실리콘은 충전 시 부피가 최대 4배 팽창하는 문제가 있다. 이로 인해 딱딱한 고체전해질이 손상되거나, 방전 시 실리콘과 전해질 사이가 벌어져 접촉이 불안정해지는 단점이 있다. 이에 박 교수팀은 실리콘의 장점을 유지하면서 단점을 보완하기 위한 ‘밀당 전략’을 도입했다.

알루미늄-실리콘(Al–Si) 합금을 사용해 충방전 중에도 부피 변화가 적고, 전해질과 적절한 거리를 유지하도록 했다. 또한 팽창에 따라 함께 움직이는 탄성 회복형 고체전해질을 적용해, 실리콘과 전해질이 항상 밀착되도록 설계했다. 이러한 구조는 전해질 손상을 방지하면서도 전기화학적 성능을 안정화시킨다. 그 결과, 고속 충·방전 조건에서도 300회 충·방전 후 초기 용량의 81.6%, 500회 후 70% 이상 용량 유지에 성공했다.

연구팀은 또한 방사광가속기를 이용한 3D X선 촬영, 실시간 내부 압력 측정, 디지털 트윈 시뮬레이션 등을 통해 배터리 내부 변화 과정을 정밀하게 분석하고 과학적 설계의 타당성을 입증했다.

이번 연구는 단순한 소재 개발을 넘어 실리콘 음극의 기계적, 구조적, 전기화학적 문제를 종합 분석한 데 의의가 있다. 박수진 교수는 “이번 성과는 차세대 배터리에서 고용량 소재를 안정적으로 사용할 수 있음을 보여준 중요한 진전”이라고 밝혔다. 또한 해당 기술은 전기차뿐 아니라 대용량 에너지 저장장치(ESS), 스마트기기 등 다양한 분야에 적용 가능성이 크다.

이 연구 결과는 국제 학술지 Advanced Functional Materials 온라인판에 게재되었다.

[발췌: 헤럴드경제]