[비욘드포스트 이봉진 기자] 가천대학교(총장 이길여) 연구팀이 차세대 배터리로 주목받는 전고체전지의 성능과 수명을 획기적으로 높일 수 있는 핵심 기술을 개발했다.

기존 기술 대비 배터리 성능을 5배 이상 향상시켜 고에너지밀도 배터리 상용화에 청신호가 켜졌다.

가천대는 화공생명배터리공학부 이동수·박찬호·최정현 교수 연구팀이 한국지질자원연구원 정인철 박사팀과 공동으로 전고체전지용 순수 실리콘 음극에 적용할 신소재 바인더 'IRCB(계면강화 가교 바인더)'를 개발했다고 9일 밝혔다.

배터리 음극재로 널리 쓰이는 흑연 대신 실리콘을 사용하면 이론적으로 약 10배 많은 전기를 저장할 수 있어 같은 크기의 배터리로도 사용 시간을 크게 늘릴 수 있다.

하지만 충·방전 과정에서 실리콘의 부피가 최대 3배까지 팽창하고 수축해 입자가 파괴되거나 내부가 단절되는 치명적인 단점이 있었다.

특히 고체 전해질과 전극이 밀착되어야 하는 전고체전지에서는 이러한 부피 변화로 인해 고체 간 접촉이 깨져 순수 실리콘을 적용하기 어려웠다.

연구팀은 이 같은 한계를 3차원 그물망 구조를 갖는 신소재 바인더(IRCB) 설계로 극복했다. 에폭시-아민 반응을 통해 형성된 이 3차원 고분자 네트워크는 실리콘 입자 표면과 강하게 결합하여, 반복적인 부피 변화에도 전극 구조가 무너지지 않도록 단단히 잡아 준다.

실험 결과는 성공적이었다. IRCB를 적용한 순수 실리콘 음극은 빠른 충·방전 조건에서 300회를 반복한 후에도 초기 용량의 90% 이상을 안정적으로 유지했다.

이는 기존에 사용되던 PVDF 바인더 기반 실리콘 음극의 용량 유지율(16%)과 비교해 5배 이상 향상된 수치로, 배터리의 장기 사용 시 발생하는 성능 저하 문제를 크게 줄였다.

이번 연구 성과는 그 우수성을 인정받아 에너지·재료 분야 국제 저명 학술지인 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science, Impact Factor 14.1)'에 지난 2일 온라인 게재됐다.

해당 논문에는 이동수 교수가 주 교신저자로, 박찬호·최정현 교수가 공동 교신저자로 참여했으며, 가천대 이찬호 석사과정생, 남유리 석사와 한국지질자원연구원 정인철 선임연구원이 공동 제1저자로 이름을 올렸다.

이동수 교수는 "이번 연구는 전고체전지 분야에서 가장 도전적인 소재로 여겨지는 순수 실리콘 음극을 안정적으로 구현할 수 있는 가능성을 제시했다"며, "고에너지밀도 전고체전지의 상용화를 앞당길 기반 기술이 될 것"이라고 강조했다.

한편, 이번 연구는 산업통상자원부의 소재부품기술개발사업, 과학기술정보통신부의 기초연구사업, 그리고 한국지질자원연구원 기본사업의 지원을 받아 수행됐다.

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