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전기차 배터리 용량 늘릴 새 음극소재

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전기차 배터리 용량 늘릴 새 음극소재

2019.08.28 12:00
박민식 경희대 교수. 한국연구재단 제공.
박민식 경희대 교수. 한국연구재단 제공.

전기차 시장이 활성화하며 고성능 리튬이온전지 수요가 늘어나고 있다. 리튬이온전지용 음극소재로 보통 흑연이 쓰인다. 과학계에선 전지 용량을 흑연보다 이론상 10배 이상 높일 수 있는 실리콘으로 대체하려는 연구가 활발하다. 그러나 충방전시 실리콘이 팽창하며 구조가 붕괴돼 성능이 떨어지는 현상이 문제였다. 

 

박민식 경희대 정보전자신소재공학과 교수와 문장혁 중앙대 에너지시스템공학부 교수, 김정호 호주 울런공대 교수 등 공동연구팀은 규칙적 패턴이 반복되는 다공성 3차원 나노구조체인 ‘자이로이드’ 구조의 차세대 리튬이온전지용 음극소재를 개발했다고 28일 밝혔다. 

 

연구팀은 실리콘 팽창으로 재료의 구조가 붕괴되는 데 영향을 주는 ‘응력’을 최소화하기 위해 자이로이드 구조의 실리콘복합산화물 음극소재를 설계하고 단일공정으로 합성하는 데 성공했다. 이에 앞서 시뮬레이션을 통해 다공성 기공이 응력을 줄이고 3차원 자이로이드 구조로 안정성을 확보할 수 있다는 사실을 알아냈다. 

 

연구팀이 개발한 소재로 실험한 결과 실제 충방전시 규칙적으로 배열된 직경 10나노미터(10억분의 1미터) 크기의 기공들이 실리콘의 부피 팽창을 효과적으로 완충하는 것으로 나타났다. 이에 따라 기존 흑연 음극 소재에 비해 충방전시 반복적으로 사용 가능한 리튬이온전지 용량이 5배 늘리는 데 성공했다. 

 

연구팀은 “시뮬레이션 해석과 실제 실험적 관찰이 통합된 융합연구 결과”라며 “실리콘 기반 음극소재가 적용된 리튬이온전지가 앞으로 전기차 핵심 부품으로 활용될 가능성을 제시했다”고 밝혔다. 이번 연구결과는 국제학술지 'ACS나노'에 게재됐다. 

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