한국기계연구원, 전기자동차·스마트폰 등 고성능 배터리 핵심기술 개발

충전 걱정 없는 전기차·스마트폰 배터리 성능 향상 기대

▲한국기계연구원 현승민 박사(왼쪽)와 성균관대학교 이후정 교수 [사진=한국기계연구원 제공]

아주경제 모석봉 기자 = 충전 없이 오랜 시간 운행 할 수 있는 전기 자동차, 여행 내내 사용할 수 있는 스마트 폰. 이런 것들을 가능하게 하는 고용량 리튬 이온 배터리 핵심 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국기계연구원(원장 임용택) 나노역학연구실 현승민 박사와 성균관대 이후정 교수 공동연구팀은 실리콘, 철, 아연을 합금해 고용량, 장수명을 가지는 리튬이온 배터리의 음극 전극 재료 개발에 성공했다.

이번 기술의 핵심은 ‘꿈의 소재’라 불리는 실리콘의 부피 팽창을 막은 것이다. 실리콘은 기존 리튬이온 배터리의 음극 소재인 탄소계열 소재보다 최대 10배에 가까운 3,500mAh/g의 용량을 가지고 있지만 충·방전 시 리튬과 반응해 400% 이상의 부피변화 때문에 장시간 사용이 불가능했다.

연구팀은 실리콘, 리튬과 반응하지 않는 철과 아연을 적절한 비율로 합금해 실리콘 재료의 팽창을 막는데 성공했다.

연구팀은 이어 새 전극재료를 코인 셀로 제작해 고용량 특성과 함께 상용화 가능성도 확인했다.

코인 셀에 사용된 전극은 500사이클 이상 충·방전이 진행돼도 고용량이 유지되면서, 쿨롱 효율 특성 역시 99.3 % 이상의 우수한 성능을 보였다. 용량은 1500mAh/g을 기록했다.
 

▲실리콘, 철, 아연 합금을 제작하는 장비 [사진=한국기계연구원 제공]

현승민 박사는 “이번 실리콘 합금 음극재료는 충·방전 시 전이금속의 미세구조 변화를 이용해 기존의 실리콘 부피 팽창 문제를 해결한 것”이라며 “배터리의 음극 재료 개발뿐만 아니라 양극, 전해질, 분리막 등 다른 핵심소재들도 빨리 개발돼 고용량, 장수명의 배터리가 상용화되길 바란다”고 밝혔다.

한편 이번 연구결과와 관련해 현재 국내외 특허 출원을 준비 중이며, 에너지 물질 분야의 저명한 국제학술지인 ‘Advanced Energy Materials’ (IF=16.1) 온라인 판에 지난 달 게재됐다.