음극재 기술…전기차 배터리 용량 4배까지 늘렸다

국내 연구진이 전기차 배터리 용량을 획기적으로 개선할 수 있는 배터리 소재 기술을 개발했다. 뛰어난 에너지 저장 용량에 비해 떨어지는 내구성을 지닌 실리콘 음극의 단점을 보완할 방법을 찾은 것이다.

김원배 포스텍 화학공학과·친환경소재대학원 교수 연구팀은 실리콘 음극재에 전도성 고분자를 도입해 리튬이온전지의 에너지 저장 용량을 4배 늘리는데 성공했다고 11일 밝혔다.

리튬이온전지의 구성은 크게 양극재·음극재·전해질로 이뤄진다. 이 중 음극재는 에너지 저장 용량을 결정하는 역할을 한다. 리튬이온전지는 충·방전이 가능한 이차전지다. 음극에 저장된 리튬 이온이 전해질을 통해 양극으로 이동하면 전자가 양국에서 음극으로 이동해 전류가 발생한다.

전기차 배터리 음극재는 주로 흑연을 사용하고 있다. 에너지 저장 용량에 한계가 있는 흑연보다 이론적으로 10배 이상 많은 에너지를 저장할 수 있는 실리콘이 음극재 대안으로 떠오르고 있다.

하지만 충·방전 과정에서 음극 부피가 최대 300%까지 증가하며 불안정한 고체 전해질막(SEI)이 형성되고 이로 인해 실리콘 입자가 깨져 배터리 성능과 안정성, 내구성이 떨어지는 문제가 있었다.

SEI은 음극과 전해질 간 접촉을 차단해 불필요한 화학 반응을 억제한다. 전자와 이온의 이동을 돕지만 배터리를 계속해서 사용할수록 안정성이 낮아진다. 특히 실리콘 음극재는 충전과 방전을 반복하는 동안 부피의 변화가 크기 때문에 SEI의 안정성은 더욱 저하된다.

연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 'p-톨루엔설폰산'이 적용된 전도성 고분자 폴리아닐린을 사용해 인공 고체 전해질막을 만들고 음극 표면에 부착했다. 이 고분자층은 층상 구조로 이뤄져 있어 층마다 리튬 이온을 저장할 수 있으며 강력한 수소 결합을 통해 음극의 표면에 균일한 피막을 형성했다.

분석 결과 전기차 배터리가 작동하며 자연적으로 생성되는 SE가이 음극 표면에 고르게 형성되도록 유도됐다. 연구팀이 만든 인공 SEI와 자연 SEI가 통합된 전도성 고분자층이 만들어졌다.

이렇게 만들어진 통합 SEI는 급격한 음극 부피 변화로 인한 응력을 효과적으로 분산해 음극의 부피 팽창을 완화했다. 실험 결과 연구팀의 통합 고체 전해질막을 적용한 배터리는 10A(암페어)/g의 높은 전류 밀도에서 570mAh(밀리암페어)/g의 배터리 용량을 기록했다. 이는 배터리를 급속 충전하는 과정에서도 에너지 용량을 안정적으로 유지할 수 있음을 의미한다.

특히 배터리는 고속충전 조건에서 250여회 작동 후에도 상용화된 음극재가 포함된 배터리 대비 최소 400% 이상 높은 에너지 용량을 유지하는 데 성공했다.

김원배 교수는 "에너지밀도가 높은 실리콘 음극활물질의 실질적 활용을 위해 기존 한계를 극복할 방법으로 고려할 수 있다"며 "후속 연구를 통해 전기차 주행거리와 내구성, 충전 속도 모두 개선하는 연구를 계속하겠다"고 말했다. 

김동하 기자 rlaehdgk@smartfn.co.kr