박수진 포스텍 화학과 교수(왼쪽)와 류재건 서강대 화공생명공학과 교수. 포스텍 제공.
국내 연구진이 전극과 전해질을 단단히 결합하는 기술로 더 오랜 시간 안정적인 성능을 유지하는 실리콘 배터리 기술을 개발했다.

포스텍은 박수진 화학과 교수 연구팀이 류재건 서강대 화공생명공학과 교수팀과 함께 전극과 전해질이 서로 맞물려 결합하는 구조인 ’IEE(In Situ Interlocking Electrode–Electrolyte)‘ 시스템을 개발하고 연구 결과를 국제학술지 ’어드밴스드 사이언스‘에 최근 게재했다고 9일 밝혔다.

일상에서 사용하는 스마트폰, 노트북 배터리는 대부분 음극 소재로 흑연을 사용한다.
 실리콘은 차세대 음극 소재로 주목받고 있다.

실리콘은 큰 약점이 있다.
 배터리를 충·방전할 때마다 부피가 약 3배 증감하며 이 과정에서 전극과 전해질 사이에 틈이 생긴다.
 결과적으로 배터리 성능이 급격히 떨어진다.
 이 문제를 해결하기 위해 액체 전해질 대신 고체나 준고체 전해질을 사용하는 방법이 연구되고 있으나 실리콘 전극이 팽창하고 수축하는 과정에서 여전히 구조가 쉽게 벌어지는 한계가 생긴다.

연구팀이 개발한 IEE 시스템은 전극과 전해질이 단순히 맞닿아 있는 구조가 아니라 공유결합을 통해 화학적으로 서로 엉켜 단단히 결합하는 구조다.
 실리콘이 부피 변화를 겪어도 전극과 전해질이 떨어지지 않고 밀착 상태를 유지할 수 있다.

실험 결과 기존 배터리는 몇 번의 충·방전만으로 성능이 급격히 떨어졌지만 IEE 시스템을 적용한 배터리는 오랜 기간 안정적인 성능을 유지했다.
 IEE 시스템으로 만든 배터리는 무게 1kg당 403.7Wh(와트시), 부피 1L당 1300Wh의 에너지 밀도를 기록했다.
 기존 리튬이온배터리 대비 무게 기준으로는 60% 이상, 부피 기준으로는 2배 가까이 에너지 밀도가 향상된 수치다.

박 교수는 “이번 연구는 고에너지 밀도와 고안정성을 동시에 갖춘 차세대 전지 기술의 가능성을 제시한 것”이라며 “다양한 분야에서 차세대 배터리 기술의 활용 가능성을 열었다”고 말했다.

류 교수는 “IEE 시스템은 전극과 전해질 간 계면 안정성을 획기적으로 개선한다”며 “실리콘 기반 전지의 상용화를 앞당길 수 있는 핵심기술이 될 것”이라고 전했다.

<참고 자료>
doi.org/10.1002/advs.202417143