“단 한 번 20분 충전으로”…전기차, 서울∼부산 왕복 주행
포스텍, 흑연 음극재 대신 ‘실리콘 기반 음극소재’ 개발
단단하면서 깨지지 않는 음극재..1000㎞ 주행거리 성능
깨지지 않는 실리콘 음극재를 통해 급속충전 전기차 배터리 모식도.
단 한 번의 20분 충전으로 서울과 부산을 왕복할 수 있는 전기차 소재가 개발됐다.
포스텍은 박 화학과 교수·제 박사 연구팀이 최 서울대 교수팀, LG에너지솔루션과 공동으로 충·방전을 반복해도 쉽게 부서지지 않는 ‘고강도 실리콘 소재’를 개발했다고 1일 밝혔다.
전기차 배터리 음극재로 가장 많이 쓰인 소재는 흑연으로, 현재 저장할 수 있는 에너지 양이 이미 이론적 한계에 다다랐다는 평가다. 이에 흑연보다 10배 이상 많은 에너지를 저장할 수 있는 실리콘이 주목받고 있다.
하지만 실리콘은 충·방전을 반복하는 과정에서 부피가 무려 300%까지 부풀었다 줄어들어 수명이 짧아지는 한계가 있다.
연구팀은 소재를 단단하게 만드는 데 집중했던 기존 연구와 달리 반복적인 부피 변화를 버텨내는 강도에 주목하고, 실리콘 산화물에 32나노미터 크기 불화리튬 결정을 정밀하게 배치했다.
여기에 이온은 잘 통과시키고, 빠르게 이동시키는 특수 코팅을 입자 표면에 입혀 급속충전할 수 있게 구현했다.
실험 결과, 연구팀이 개발한 소재는 충방전 과정에서 부피 변화가 18.9% 수준에 머물렀다. 실제 배터리 평가에서도 10∼80% 충전 기준 20분 급속충전 조건으로 1000회 이상 안정적으로 작동했다.
아울러 1.26Ah(암페어시)급 파우치형 배터리에서도 500회 이상 정상 작동했으며, 에너지 밀도는 1㎏당 402Wh, 부피 기준으로 1ℓ당 1125Wh를 기록했다.
실제 전기차에 적용하면 한 번 충전으로 주행거리가 1000㎞에 달하는 수준이라고 연구팀은 설명했다.
박수진 포스텍 교수는 “고에너지 밀도와 급속충전을 만족하는 차세대 배터리 상용화를 앞당기는 계기가 될 것”이라고 말했다.
연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 온라인에 실렸다.
고강도 실리콘 기반 소재 개념도. 포스텍 제공.