포항공과대학교 (POSTECH)의 연구진은 마이크로 실리콘 입자와 젤 폴리머 전해질을 사용한 획기적인 리튬이온 배터리를 개발해 에너지 밀도와 안정성을 크게 향상시켰습니다. 이 혁신은 실리콘의 팽창 문제를 해결하고, 배터리 수명과 효율이 더 긴 전기차를 가능하게 할 수 있을 것으로 예상됩니다.
21세기 소비자 전자제품 전시회 (CES) 2024에서는 AI 및 의료 분야의 혁신적인 발전이 선두에 섰습니다. 그러나 배터리 기술은 이러한 혁신의 핵심입니다. 특히 전기차에서 이 기술이 가장 집중적으로 적용되고 있습니다.
현재의 전기차는 한 번 충전으로 약 700km 정도 이동할 수 있지만, 연구진들은 1,000km의 배터리 용량을 추구하고 있습니다. 연구진들은 고 저장 용량으로 잘 알려진 실리콘을 리튬이온 배터리의 양극재로 사용하기 위해 열심히 연구하고 있습니다. 그러나 실용화하는 것은 여전히 산발적인 문제입니다.
식품과학기술대학교 (POSTECH)의 화학과 교수인 박수진 교수, 박사과정인 제민준 박사, 그리고 혜빈 손 박사는 이 문제를 해결하고 실리콘 기반의 경제적이면서도 튼튼한 차세대 고에너지 밀도 리튬이온 배터리 시스템을 개발했습니다. 이 연구 결과는 최근 Advanced Science 저널에 발표되었습니다.
실리콘을 배터리 재료로 사용하는 것에는 다음과 같은 어려움이 있습니다. 실리콘은 충전하는 동안 크기가 3배 이상 팽창한 후 토출 시 원래 크기로 다시 축소되어 배터리의 효율을 크게 감소시킵니다. 나노 사이즈의 실리콘을 사용하는 것은 이 문제를 부분적으로 해결할 수 있지만, 생산 과정이 복잡하고 매우 비용이 많이 들어가기 때문에 예산적으로 어려운 과제입니다.
반면 마이크로 사이즈의 실리콘은 비용과 에너지 밀도 측면에서 아주 효율적입니다. 그러나 더 큰 실리콘 입자의 팽창 문제는 배터리 작동 중 더욱 두드러지게 되어 양극재로 사용하는 데 제한을 가지고 있습니다.
연구팀은 젤 폴리머 전해질을 적용하여 경제적이면서도 안정적인 실리콘 기반 배터리 시스템을 개발했습니다. 리튬이온 배터리의 전해질은 양극과 음극 사이의 이온 이동을 편리하게 하는 중요한 구성 요소입니다. 기존의 액체 전해질과 달리 젤 전해질은 고체 또는 젤 상태로 존재하며 탄성 있는 고분자 구조를 가지고 있어 액체 전해질보다 안정성이 뛰어납니다.
연구팀은 마이크로 실리콘 입자와 젤 전해질 사이에 공유 결합을 형성하기 위해 전자 빔을 사용했습니다. 이러한 공유 결합은 리튬이온 배터리 작동 중 발생하는 부피 팽창으로 인한 내부 응력을 분산시키고, 마이크로 실리콘의 부피 변화를 완화하여 구조적 안정성을 향상시키는 역할을 합니다.
결과는 놀랍습니다. 연구팀이 개발한 배터리는 전통적인 나노 실리콘 양극재보다 100배 큰 마이크로 실리콘 입자 (5μm)를 사용하더라도 안정적인 성능을 발휘했습니다. 또한 연구팀이 개발한 실리콘-젤 전해질 시스템은 액체 전해질을 사용하는 기존의 배터리와 유사한 이온 전도성을 나타냈으며, 에너지 밀도가 대략 40% 향상되었습니다. 게다가, 이 연구팀의 시스템은 즉각적인 응용이 가능한 간단한 제조 공정을 가지고 있어 매우 가치있습니다.
박수진 교수는 “마이크로 실리콘 양극을 사용했음에도 안정적인 배터리를 구현했습니다. 이 연구는 우리를 현실적인 고에너지 밀도 리튬이온 배터리 시스템에 한 발 더 가깝게 이끌어줍니다.”라고 강조했습니다.
참조: “Formulating Electron Beam-Induced Covalent Linkages for Stable and High-Energy-Density Silicon Microparticle Anode” by Minjun Je, Hye Bin Son, Yu-Jin Han, Hangeol Jang, Sungho Kim, Dongjoo kim, Jieun Kang, Jin-Hyeok Jeong, Chihyun Hwang, Gyujin Song, Hyun-Kon Song, Tae Sung Ha and Soojin Park, 17 January 2024, Advanced Science.DOI: 10.1002/advs.202305298이 연구는 한국국립연구재단의 독립연구원 프로그램의 지원을 받았습니다.
자주 묻는 질문 (FAQ) 섹션
1. 마이크로 실리콘 입자와 젤 폴리머 전해질이 무엇인가요?
마이크로 실리콘 입자는 실리콘을 매우 작은 입자로 분쇄한 것을 의미합니다. 젤 폴리머 전해질은 고체 또는 젤 상태로 존재하는 전해질로, 탄성 있는 고분자 구조를 가지고 있어 안정성이 뛰어납니다.
2. 실리콘을 배터리 재료로 사용하는 것에 어떤 문제가 있나요?
실리콘은 충전하는 동안 크기가 팽창한 후 다시 축소되어 배터리의 효율을 감소시킵니다. 이러한 실리콘의 팽창 문제는 배터리 작동 중 더욱 두드러지게 되어 제한 사항으로 작용합니다.
3. 왜 마이크로 실리콘 입자와 젤 전해질을 사용한 배터리가 혁신적인 것인가요?
마이크로 실리콘 입자와 젤 전해질을 사용한 배터리는 안정적인 성능을 유지하는 동시에 높은 에너지 밀도를 가질 수 있습니다. 이러한 기술은 배터리 수명과 효율이 더 긴 전기차를 가능하게 만들 수 있을 것으로 예상됩니다.
4. 이 연구 결과에 대해 어떤 발전이 예상되나요?
이 연구 결과는 실리콘 기반의 경제적이면서도 안정적인 차세대 고에너지 밀도 리튬이온 배터리 시스템의 개발에 대한 한 발 더 가까워질 수 있습니다. 이를 통해 전기차의 주행 거리를 더욱 증가시키고 배터리의 안정성과 효율성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대됩니다.
5. 이 연구 결과에 관련된 추가 정보는 어디에서 얻을 수 있나요?
추가 정보를 얻으려면 다음 링크를 참조하세요: 포항공과대학교 (POSTECH) 웹사이트