실리콘 음극으로 "전기차 100km 더 달린다"

[아시아경제 황준호 기자] 국내 연구진이 전기차 등에 사용되는 배터리의 성능을 25% 가량 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 배터리 음극의 소재를 흑연에서 실리콘으로 대체해 전지 용량을 끌어올리는 기술이다. 연구진은 이 기술을 활용해 전기차의 평균 주행거리를 100km 늘렸다고 소개했다.

국과학기술연구원은 청정신기술연구소 이민아 에너지저장연구단 박사, 홍지현 에너지소재연구단 박사 공동연구팀이 실리콘 기반 음극 소재 적용 기술을 개발했다고 1일 밝혔다.

연구팀이 개발한 기술은 기존 배터리에 사용되는 흑연계 음극 소재를 실리콘 기반 소재로 대체하는 기술이다. 연구팀은 특수용액을 개발해 실리콘 기반 음극 소재를 전지에 적용할 수 있게 했다. 리튬 이온이 용액의 전해질을 타고 음극 구조 내부로 들어가, 사전 리튬화가 이뤄지면서 실리콘 음극 소재가 제대로 작동할 수 있게 한다.

배터리에 실리콘계 음극 소재를 사용하면 흑연보다 에너지를 4배 이상 저장할 수 있다. 하지만 리튬 이온이 20% 이상 손실돼 배터리의 에너지 저장능력이 줄어드는 문제가 발생한다. 이에 따라 음극에 리튬을 미리 추가하는 사전 리튬화 기술이 연구되고 있다. 다만 대부분의 연구가 리튬 분말을 이용한 방법에 관한 것으로, 리튬 분말 사용시 폭발 위험성이 높고 비용이 높다는 것이 문제로 지적받고 있다.

연구팀은 자체 개발한 용액을 이용해 5분간 전처리를 거친 실리콘계 음극은 첫 충전 시 리튬 손실이 1% 이내로 감소하여 99%를 상회하는 높은 초기 효율을 보였다고 밝혔다. 이러한 방식으로 처리한 음극을 이용해 배터리를 제작한 결과 상용 배터리 대비 25% 높은 에너지밀도(406Wh/kg → 504Wh/kg)를 얻을 수 있었다고 발표했다.

이민아 박사는 "전산재료과학 기법을 도입하여 설계한 최적의 분자구조를 활용하여 용액의 온도와 처리 시간만 조절하는 간단한 방법으로 고용량 실리콘계 음극의 효율을 크게 향상시킬 수 있었고, 롤투롤(roll-to-roll) 공정에 쉽게 적용할 수 있어 기존 업계의 전지 제조 설비를 활용한 양산 가능성이 매우 크다"고 말했다. 홍지현 박사는 "이 전처리 기술을 활용하면 전기차의 주행거리가 현재보다 평균적으로 최소 100km 이상 늘어날 수 있을 것"이라고 덧붙였다.

황준호 기자 rephwang@asiae.co.kr