'젤리' 입자로 1000km 달리는 전기차 가능성 높인다

2024.01.26 10:37

국내 연구진이 젤(gel) 형태의 고분자 전해질로 에너지 밀도가 기존보다 약 40% 향상된 리튬이온배터리 시스템을 개발했다. 간단한 공정으로 바로 적용 가능하다.

포스텍은 박수진 화학과 교수가 이끄는 연구팀이 젤 형태의 고분자 전해질을 사용해 마이크로 실리콘 기반 고에너지 밀도 리튬이온배터리 시스템을 개발했다고 26일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 '사이언스 어드밴스드'에 지난 17일 온라인 게재됐다.

효율적으로 전기를 생산하는 배터리는 전기차의 핵심 기술로 꼽힌다. 현재까지 출시된 전기차의 최대 주행거리는 약 700km로 단 1회 충전으로 1000km를 달리는 전기차 개발이 다음 목표다. 저장 용량이 큰 실리콘을 음극재로 활용한 리튬이온배터리가 주목받는 이유다. 

하지만 실리콘 음극재는 충·방전 시 부피가 3배 이상 팽창하고 수축해 배터리 효율이 떨어진다는 단점이 있다. 값비싼 나노(10-9m) 실리콘을 활용할 수도 있지만 제조 공정이 매우 복잡한데다 천문학적인 비용이 소모된다. 마이크로(10-6m) 실리콘의 경우 가격과 에너지 밀도 측면에서 실용성은 높지만 배터리 작동 중 부피가 팽창하는 문제가 있어 음극재로 사용하는 데 한계가 있다.

연구팀은 젤 전해질을 활용한 음극재를 개발했다. 전해질은 이온이 양극와 음극을 오고갈 수 있게 하는 중요한 요소다. 젤 전해질은 고체나 젤 상태로 존재하며 탄성이 있는 고분자 구조를 가지고 있어 액체 전해질에 비해 안정성이 높다.

연구팀은 전자빔을 쏴 마이크로 실리콘 입자와 젤 전해질 간 공유 결합을 형성했다. 리튬이온배터리가 구동할 때 부피 팽창으로 인한 내부 응력을 분산시키면서 부피 팽창을 억제하는 효과가 있다. 

그 결과 나노 실리콘 음극재에 비해 100배 큰 마이크로 실리콘 입자(5μm)를 사용했음에도 구조적 안정성이 높아졌다. 액체 전해질을 사용한 기존 전지와 유사한 이온 전도도를 보이면서도 에너지 밀도는 약 40% 향상됐다. 

연구팀은 "현재 바로 적용할 수 있는 간단한 공정이라는 점에서 큰 의의가 있다"며 "실용적인 고에너지 밀도 리튬이온 배터리 시스템에 한 발 더 다가섰다"고 전했다. 

연구 모식도. 포스텍 제공

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