포스텍 박수진 교수팀, 전자빔 활용 일체형 실리콘·젤 전해질 시스템 개발

젤(gel)형태의 고분자 전해질을 사용해 1000km를 달릴 수 있는 전기차가 개발돼 화제다.

박수진 교수.

포스텍(포항공대) 화학과 박수진 교수·통합과정 제민준씨, 손혜빈 박사 연구팀은 젤 형태의 고분자 전해질을 사용해 저렴하면서도 안정적인 마이크로 실리콘 기반 차세대 고에너지 밀도 리튬이온 배터리 시스템을 개발했다. 

실리콘 음극재는 충·방전 시 부피가 3배 이상 팽창하고 수축하기 때문에 배터리 효율이 크게 떨어진다. 이에 값비싼 나노(10-9m) 실리콘을 활용하면 문제를 일부 해결할 수 있지만, 제조 공정이 매우 복잡하고 까다로우며 천문학적인 비용이 필요하다. 

반면, 마이크로(10-6m) 실리콘의 경우 가격과 에너지 밀도 측면에서 실용성은 비교적 높지만, 배터리 작동 중 발생하는 부피 팽창 문제가 더욱 극심하게 나타나 음극재로 사용하기에 한계가 있었다.

손혜빈 박사.

경제적이면서도 안정적인 실리콘 기반 배터리 시스템을 개발하기 위해 연구팀은 젤 전해질(gel polymer electrolyte)을 사용했다. 

리튬이온 배터리 내 전해질은 이온이 양극과 음극을 오고 갈 수 있는 중요한 요소다. 젤 전해질은 액체 형태의 일반적인 전해질과 달리 고체나 젤 상태로 존재하는데, 탄성이 있는 고분자 구조를 가져 액체 전해질에 비해 안정성이 높다.

연구팀은 전자빔(electron beam)을 쏘아 마이크로 실리콘 입자와 젤 전해질 간 공유 결합을 형성했다. 이 공유 결합은 리튬이온 배터리 구동 중 부피 팽창으로 인한 내부 응력을 분산시켜 마이크로 실리콘 부피 변화를 완화해 구조적 안정성을 높였다.

그 결과, 기존 나노 실리콘 음극재에 비해 100배 큰 마이크로 실리콘 입자(5μm)를 사용함에도 안정적인 전지 구동력을 보였다. 

또, 연구팀의 실리콘-젤 전해질 시스템은 액체 전해질을 사용한 기존 전지와 유사한 이온 전도도를 보였으며, 에너지 밀도는 약 40% 향상됐다. 

제민준씨.

연구팀의 시스템은 현재 바로 적용할 수 있는 간단한 공정이라는 점에서도 큰 의의가 있다.

박수진 교수는 “마이크로 실리콘 음극재를 사용했음에도 불구하고 구조적 안정성을 크게 증진시켰다”며 “이번 연구를 통해 실용적인 고에너지 밀도 리튬이온 배터리 시스템에 한 발 더 다가섰다”고 말했다.

이번 연구는 국제 학술지 ‘어드밴스드 사이언스’에 지난 17일 온라인 게재됐다.

한편, 이 연구는 한국연구재단 개인기초연구사업의 지원으로 진행됐다.

포항=이영균 기자 lyg020segye.com