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배터리 충전 속도 5배 높인다

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배터리 충전 속도 5배 높인다

2019.03.06 16:09
IBS와 UNIST, 포스텍 공동연구팀이 새로운 구조의 실리콘 음극 소재를 개발했다. 배터리의 충전 속도와 용량을 늘릴 것으로 기대된다. 사진 제공 UNIST
IBS와 UNIST, 포스텍 공동연구팀이 새로운 구조의 실리콘 음극 소재를 개발했다. 배터리의 충전 속도와 용량을 늘릴 것으로 기대된다. 사진 제공 UNIST

전기차 배터리에 쓰이는 리튬이온 배터리의 충전 속도와 용량을 개선한 새로운 소재가 개발됐다.

 

포스텍 화학과 박수진 교수와 류재건 연구원,  울산과학기술원(UNIST) 로드니 루오프 특훈교수(IBS 다차원탄소재료연구단장)와 빈왕 자연과학부 연구원 연구진은 ‘흑연 음극 소재’를 대체할 새로운 구조의 ‘실리콘 음극소재’를 개발했다고 6일 밝혔다. 이번 연구는 나노 분야 국제학술지 ‘ACS나노’ 2월 26일자에 소개됐다.

 

음극소재는 충전된 리튬이온 배터리에서 리튬 이온과 전자를 품고 있는 ‘음극’의 소재로, 방전시 전자를 도선에 내보내는 역할을 한다.


연구팀은 기존에 널리 쓰이던 흑연 음극소재가 용량에 한계가 있어, 용량이 10배 이상 큰 실리콘으로 대체하기 위해 연구를 시작했다. 하지만 실리콘은 충전과 방전을 할 때 부피가 변하면서 자주 깨지고, 깨진 표면에 일종의 부산물이 쌓이면서 전자 이동을 방해해 효율이 떨어지는 단점이 있었다.

 

연구팀은 실리콘을 소재 단계부터 새로운 구조로 설계해 이 문제를 해결했다. 마치 머리카락 뭉치처럼, 가늘고 긴 실리콘 나노와이어를 뭉쳐 겉에서 보기에 다공성을 띠는 소재를 만들었다. 부피가 팽창해도 충격을 흡수할 수 있게 한 것이다.

 

이후 이 소재를 밀집시킨 뒤 나노미터 두께의 얇은 탄소 막을 씌웠다. 이렇게 만들어진 실리콘-탄소 전극은 그 자체로 음극을 이룰 수 있는 일체형 전극이 됐다. 기존 음극은 구리 위에 리튬 이온을 품은 '활물질'과 전자를 전해주는 ‘집전체’ 등을 여러 겹 겹쳐서 복잡하게 만들어야 했지만, 연구팀이 개발한 전극은 구조가 간단하고 부피가 작았다.

 

작지만 성능은 좋아졌다. 충전 속도는 5배 빨라졌고 용량은 대폭 늘어났다. 공동 제1저자인 류재건 포스텍 연구원은 “일체형이 되면서 에너지 저장 공간이 늘어났고 산호를 닮은 (뭉치 형태의) 3차원 구조로 전도성도 향상됐다”며 “상용화된 리튬 이온 배터리와 같은 조건에서 시험한 결과, 10분만 충전해도 흑연의 4배 이상 용량을 유지했다”고 말했다. 

 

공동 교신저자인 박수진 포스텍 교수는 “고속충전의 필수 요소를 모두 충족한 최초의 실리콘 기반 음극 소재”라며 “훗날 전기차 배터리 산업에 기여할 것”이라고 말했다.
 

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