유니스트 에너지 및 화학공학부 조재필 교수팀은 기존 음극소재인 흑연보다 45% 용량을 늘린 고출력 '흑연·실리콘 복합체'를 개발했다. 사진 왼쪽부터 채수종 연구원, 김남형 연구원, 조재필 교수, 마지영 연구원 (사진=유니스트 제공)
전기차 배터리의 음극소재인 흑연보다 용량과 출력을 늘린 소재가 개발돼 고성능 이차전지의 상용화가 더 앞당겨질 전망이다.
유니스트(UNIST, 울산과학기술원) 에너지 및 화학공학부 조재필 교수팀은 기존 음극소재인 흑연보다 45% 용량을 늘린 고출력 '흑연·실리콘 복합체'를 개발했다고 9일 밝혔다.
특히 흑연 소재의 전기차 배터리는 주행거리가 200㎞ 안팎이지만 이번에 개발된 흑연·실리콘 복합체는 300㎞까지 주행할 수 있다.
이 소재를 생산하기 위한 장비도 개발해 6시간 만에 300㎏ 이상의 음극소재를 한꺼번에 얻을 수 있다.
게다가 공정절차도 간단해 가격 경쟁력도 확보했다는 것이다.
조 교수팀은 기존 흑연 음극소재에 실리콘 나노 코팅기술을 적용해 이종물질 간에 최적의 호환성을 갖는 흑연·실리콘 복합체를 구현했다.
유니스트 에너지 및 화학공학부 조재필 교수팀은 기존 음극소재인 흑연보다 45% 용량을 늘린 고출력 '흑연·실리콘 복합체'를 개발했다. 실리콘 흑연 복합체의 구조와 특징. (그림=유니스트 제공)
이번 기술의 핵심은 실레인(SiH₄) 가스와 아세틸렌 가스를 이용한 코팅이다.
실레인 가스는 600℃ 미만에서 분해돼 흑연 내부에 있는 빈 공간이나 표면에 비결정질 나노 실리콘 입자로 달라붙는다.
이후 아세틸렌(C₂H₂) 가스를 이용해 비정질 탄소를 마지막으로 코팅 처리한다.
그 결과 흑연에 5%의 실리콘이 코팅된다.
이렇게 형성된 실리콘 나노 입자의 크기는 20㎚ 이하.
이 물질은 충·방전 동안에도 부피가 크게 늘지 않았고, 전자와 리튬이온의 이동거리가 줄어들어 고속 충·방전이 가능해졌다.
조재필 교수는 "전 세계적인 이차전지 개발 경쟁에서 가격과 안전성 측면에서 가장 우수한 음극소재 원천기술을 선점했다는 점에서 큰 의미가 있다"고 말했다.
또 "향후 전기 자동차나 중대형 에너지 저장장치에도 적용이 가능할 것으로 기대돼 국가 경쟁력 확보에도 핵심적인 역할을 할 것"이라고 했다.
한편, 조재필 교수의 이번 연구 성과는 '네이처 에너지(Nature Energy)' 8월 9일자 온라인판에 게재됐다.