실리콘 기반 자이로이드 구조…'팽창' 기존 한계 극복

전기자동차 배터리에 쓸 수 있는 고용량 리튬이온전지 소재 기술이 학계에 보고됐다.

28일 한국연구재단에 따르면 경희대 박민식 교수·중앙대 문장혁 교수·호주 울런공대 김정호 교수 등 공동연구팀은 자이로이드(gyroid) 구조 3차원 음극 소재를 개발했다.

전기자동차 시장 확대로 배터리용 리튬이온전지 성능을 높이기 위한 연구가 다양하게 진행 중이다.

리튬이온전지용 음극 소재는 주요 연구 분야 중 하나다.

특히 이론적으로 기존 흑연보다 한번에 더 많이 충전해 둘 수 있는 실리콘이 주목받는다.

다만, 실리콘의 경우 충·방전 시 3배 이상 부풀면서 구조가 붕괴하는 한계가 있다.

연구팀은 실리콘 팽창에 따른 재료 내부 저항력(응력)을 최소화하기 위해 다공성 자이로이드 구조의 실리콘복합산화물 음극 소재를 설계했다.

자이로이드는 구멍 많은(다공성) 3차원 나노 구조체다.

시뮬레이션 결과 구멍(기공)이 응력을 줄이는 한편 구조적 안정성을 확보하는 데 도움을 줬다.

규칙적으로 배열된 10㎚ 크기 기공이 실리콘 부피 팽창을 효과적으로 방지한다고 연구팀은 설명했다.

100회 이상 충·방전해도 초기 효율 80％대를 유지하는 한편 기존 흑연보다 가역 용량(반복적으로 사용 가능한 용량)이 5배 이상 늘었다.

울런공대 김정호 교수팀의 이재우 박사과정생(논문 공동 1저자)은 "시뮬레이션 해석과 실제 실험적 관찰이 통합된 융합 연구"라며 "리튬이온전지를 핵심 부품으로 사용하는 전기자동차 산업에 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

성과를 담은 논문은 지난 5일 국제학술지 '에이씨에스 나노'(ACS Nano)에 실렸다.

/연합뉴스