경상국립대학교 성재경 교수팀, 피지컬 AI 전고체 전지 ‘고성능 실리콘 음극재’ 합성 기술 개발

인공지능 로봇, 자율주행차 등 피지컬 인공지능(AI) 시장이 빠르게 성장함에 따라, 높은 에너지 밀도와 안전성을 동시에 확보할 수 있는 차세대 배터리, 그중에서도 꿈의 전지라 불리는 전고체 전지의 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.

이러한 배경 속에서 경상국립대학교 공과대학 나노·신소재공학부 성재경 교수 연구팀이 전고체 배터리의 성능 한계를 극복할 수 있는 실리콘 기반 음극 소재를 개발해 주목받고 있다.

실리콘 음극재는 기존 상용화 흑연 대비 월등한 이론용량을 지니며, 리튬 금속 음극재 대비 높은 안전성을 확보할 수 있어 전고체 전지의 에너지 밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 핵심 소재로 평가된다.

하지만 극심한 부피 변화로 인해 전극 구조 붕괴와 계면 저항 증가가 발생하며, 이는 상용화를 가로막는 주요 난제로 지적돼 왔다.

성재경 교수 연구팀은 머리카락보다 훨씬 얇은 두께(약 90nm)이면서도 길이는 마이크로미터 수준(약 1.2μm)인 ‘얇은 판(시트)’ 형태의 새로운 실리콘 소재를 개발했다.

이 소재는 기존 실리콘 음극의 단점을 해결하기 위해 설계된 것으로, 작은 크기와 큰 크기의 장점을 동시에 살린 것이 특징이다.

기존에는 매우 작은 나노 크기의 실리콘과 비교적 큰 마이크로 크기의 실리콘이 각각 사용돼 왔다.

나노 실리콘은 부피 변화로 생기는 스트레스를 잘 견디지만, 표면이 넓어 오히려 반응 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

반면 마이크로 실리콘은 반응 효율은 높지만, 반복 사용 시 쉽게 깨지면서 성능이 떨어지는 한계가 있었다.

성재경 교수 연구팀의 김주은 연구원은 이러한 문제를 해결하기 위해 두 구조의 장점을 동시에 살릴 수 있는 새로운 형태를 설계했고 실제로 구현하는 데 성공했다.

특히 이 소재는 한 번의 공정으로도 쉽게 대량 생산이 가능해, 향후 상용화 가능성도 높은 것으로 평가된다.

이 소재를 전고체 전지에 적용한 결과, 고함량 니켈 양극재를 적용한 완전지 셀에서 250회 이상의 반복 충·방전 이후에도 약 85%의 성능을 유지해 장기간 사용에서도 높은 안정성을 입증했다.

이는 기존 실리콘 소재가 수십 회 사용만으로도 성능이 급격히 떨어지는 것과 비교해 크게 개선된 결과다.

연구팀은 이러한 성능 향상의 이유로, 얇은 구조 덕분에 충·방전 시 발생하는 부피 변화로 인한 문제가 효과적으로 줄어들고, 길이가 긴 구조를 통해 리튬 이온이 보다 곧고 빠르게 이동할 수 있기 때문이라고 설명했다.

또한 전극 내부에서 리튬 이온이 고르게 퍼지면서 일부 영역이 제대로 반응하지 못하는 문제가 줄어들고, 그 결과 장기간 사용에도 구조가 안정적으로 유지됨은 물론 급속 충·방전 특성에서도 유리한 것을 확인했다.

연구 결과는 국제 저명 학술지인 《케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)》(IF: 13.2, JCR 상위 3.6%)에 3월 23일자로 발표됐다(논문명: 고성능 전고체 배터리를 위한 실리콘 나노-마이크로 시트 양극의 합리적인 설계(Rational design of silicon nano-micro sheet anodes for high performance all-solid-state batteries)).