제주 돌담처럼 크기가 다른 입자들을 섞어 용량은 크면서도 부피 팽창 문제를 해결한 배터리용 실리콘 음극이 나왔다.

19일 울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학과 강석주 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 안석훈 박사, 고려대 곽상규 교수 공동 연구팀이 입자 크기가 다른 세 소재를 조합해 전기 저장 용량과 내구성을 높인 복합 음극을 개발했다고 밝혔다.

리튬 이온 배터리 음극은 충전할 때 리튬 이온을 받아 전기를 저장한다.

실리콘은 같은 무게의 흑연보다 많은 전기를 저장할 수 있지만, 충·방전 때 팽창과 수축을 반복해 전극을 손상하는 단점이 있다.

연구팀이 개발한 음극은 실리콘 입자를 흑연·유기 소재와 섞어 팽창을 받아줄 여유 공간을 남긴 구조 덕분에 충·방전 때 전극에 생기는 균열을 줄일 수 있다.

마치 제주 돌담이 크고 작은 돌로 서로의 빈틈을 메워 구조가 단단하면서도, 돌 사이 틈으로 바람을 흘려보내 강풍으로 받는 힘을 줄이는 것과 비슷하다고 연구팀은 설명했다.

이 음극에서 가장 큰 흑연 입자는 전기가 흐르는 골격을 만들고, 중간 크기 유기소재는 빈 공간을 채워 구조를 지탱한다. 가장 작은 실리콘 입자는 남은 틈에 자리 잡아 저장 용량을 높인다.

저장 용량은 흑연 음극과 비교해 약 2.5배 컸다. 음극 활물질 1ｇ당 저장할 수 있는 전기의 양을 비교한 수치다.

양극과 조합한 배터리에서는 30분 만에 충·방전을 마치는 조건에서 200회 충·방전 후에도 초기 용량의 약 85%를 유지했다.

실리콘 함량은 같지만 유기소재 없이 흑연·실리콘만 쓴 대조군은 같은 조건에서 약 55%를 유지하는 데 그쳤다.

컴퓨터 시뮬레이션으로 실리콘 뭉침 크기와 분포를 바꿔 계산한 결과 적절한 크기의 덩어리로 고르게 배치될 때 리튬을 충분히 저장하는 것으로 나타났다.

강석주 교수는 "고용량 소재를 얼마나 넣느냐 뿐만 아니라 어떻게 배치하느냐도 배터리 성능을 좌우한다는 사실을 보여주는 연구"라며 "전기차와 에너지저장장치(ESS)용 배터리 성능을 높이고, 장기적으로 교체 비용을 줄이는 데 도움이 될 것"이라고 말했다.

연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스'(Advanced Functional Materials)에 지난달 2일 온라인으로 공개됐고, 후면 표지 논문으로 선정돼 정식 출판될 예정이다.

연구는 과학기술정보통신부, 한국연구재단, UNIST, 과학기술사업화진흥원의 지원을 받았다.