피지컬 AI 시대를 맞아 차세대 배터리 기술 경쟁이 가열되는 가운데 국내 연구진이 전고체 전지의 상용화를 앞당길 실리콘 기반 음극 소재 개발에 성공했다.

경상국립대학교는 나노·신소재공학부 연구팀이 두께 약 90nm, 길이 약 1.2μm의 얇은 시트 형태 실리콘 소재를 개발했다고 6일 밝혔다.

실리콘 음극재는 기존 흑연 대비 월등한 이론 용량을 갖추고, 리튬 금속 음극재보다 안전성이 높아 전고체 전지의 에너지 밀도를 획기적으로 끌어올릴 수 있는 핵심 소재로 꼽힌다. 다만 충·방전 과정에서 극심한 부피 변화가 발생해 전극 구조 붕괴와 계면 저항 증가로 이어지는 문제가 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다.

연구팀 소속 김주은 연구원은 나노 실리콘과 마이크로 실리콘 각각의 단점을 보완하는 새로운 구조를 설계하는 방식으로 이 문제에 접근했다.

나노 실리콘은 부피 변화에 따른 스트레스에 강하지만 표면 반응 효율이 낮고, 마이크로 실리콘은 반응 효율은 우수하지만 반복 사용 시 파손되기 쉬운 한계가 있었다. 이번에 개발된 시트형 소재는 두 구조의 장점을 동시에 구현한 것으로, 단일 공정으로 대량 생산이 가능해 양산 적합성도 높다고 연구팀은 밝혔다.

실제 전고체 전지 적용 실험에서도 성능이 입증됐다. 고함량 니켈 양극재를 적용한 완전지 셀에서 250회 이상 반복 충·방전한 이후에도 초기 성능의 약 85%를 유지했다. 이는 기존 실리콘 소재가 수십 회 사용만으로 성능이 급격히 저하되는 것과 비교하면 현저히 개선된 수치다.

성재경 교수 연구팀은 이런 성과의 원인으로 소재의 얇은 구조가 부피 변화에 따른 스트레스를 효과적으로 분산시키고, 긴 길이 방향 구조가 리튬 이온의 직선적이고 빠른 이동 경로를 확보해 준다는 점을 꼽았다. 전극 내 리튬 이온의 균일한 분포도 장기 안정성과 급속 충·방전 성능 향상에 기여한 것으로 분석됐다.

해당 연구 결과는 국제 저명 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)'에 3월 23일자로 게재됐다.