한 번 충전으로 오랜 시간 운행할 수 있는 전기자동차, 여행 내내 사용할 수 있는 스마트폰 등을 실현할 수 있는 고용량 리튬 이온 배터리 핵심 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국기계연구원 나노역학연구실 현승민 박사와 성균관대 이후정 교수 공동연구팀은 실리콘, 철, 티타늄을 합금해 고용량, 장수명의 리튬이온전지 음극 전극 소재를 개발했다고 24일 밝혔다.

실리콘은 기존 리튬이온전지의 음극 소재인 탄소계역 소재보다 최대 10배에 가까운 3500mAh/g의 용량을 갖고 있지만 충·방전 시 리튬과 반응해 400% 이상 부피가 변하기 때문에 장시간 사용할 수 없는 한계가 있다.

연구팀은 실리콘, 리튬과 반응하지 않는 철과 티타늄을 적절한 비율로 합금해 최대 관건이었던 실리콘 재료의 팽창을 막는 데 성공했다. 이 재료로 동전형 리튬이온전지를 제작한 결과 500차례 이상 충·방전이 진행돼도 1500mAh/g의 고용량을 유지했으며 최근 충전 용량이 직전 충전 용량과 대비해 차지하는 비율인 쿨롱 효율도 99.3%의 성능을 보이는 등 상용화 가능성이 확인됐다.

현 박사는 “실리콘 합금 음극재료는 충·방전 시 전이금속의 미세구조 변화를 이용해 기존 실리콘 부피 팽창 문제를 해결한 것”이라며 “배터리의 음극 재료 개발뿐만 아니라 양극, 전해질, 분리막 등 다른 핵심소재들도 빨리 개발돼 고용량, 장수명의 배터리가 상용화되길 바란다”고 말했다.

이번 연구결과는 에너지 물질 분야 국제학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials) 8월 27일자 온라인판에 게재됐다.

유주경 기자 willowind@ggilbo.com