삼성·정부 손잡고 지원…한국 연구진, 반도체 새 역사 썼다
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실리콘 웨이퍼로 '꿈의 배터리' 전고체 2차전지 만든다
서울대 화학부 임종우 교수 연구팀
웨이퍼를 전고체 전지 음극에 적용
100회 이상 안정적 충방전 확인
삼성미래기술육성재단 과학기술정보통신부 지원
서울대 화학부 임종우 교수와 나익천 박사과정 연구원은 3일 실리콘 웨이퍼를 전고체 배터리 전극으로 구현해 안정적으로 구동하는 데 처음 성공했다고 발표했다.전고체 전지는 현재 2차전지 시장을 장악하고 있는 리튬이온 배터리를 대체할 미래 혁신 기술로 주목받고 있다.
테슬라 등 상용 전기차에 들어가는 리튬이온 2차전지는 액체 전해질을 사용하기 때문에 언제라도 화재 및 폭발 위험이 있다. 최근 증시를 달구고 있는 에코프로 계열사, 포스코퓨처엠, 엘앤에프, 코스모신소재 등은 모두 리튬이온 2차전지 소재(양극재·음극재 등) 업체다. 삼성SDI, LG에너지솔루션 등 완성차 배터리 제조업체도 리튬 2차전지가 주력이다.
반면 전고체 전지는 휘발성 액체전해질 대신 불연성 고체전해질을 사용하기 때문에 폭발 및 화재 위험이 없다. 에너지 밀도도 리튬이온 2차전지보다 높다.리튬이온 2차전지는 흑연을 음극으로 쓴다. 반면 전고체 전지는 분말 형태의 실리콘 입자를 음극으로 사용한다. 이런 분말 전극은 입자 간 공극이 필연적으로 생긴다. 저항이 커지기 때문에 전극 안에서 리튬 이동이 잘 막힌다는 뜻이다. 이는 배터리 열화와 수명 단축으로 이어진다. 전고체 전지 상용화가 더딘 이유 중 하나다.
임 교수 연구팀은 실리콘 분말 전극이 아닌 실리콘 웨이퍼를 전고체 전지 음극으로 써 배터리 셀 단위면적 1㎠당 10밀리암페어시(mAh) 용량을 달성했다. 상용 리튬이온 배터리 1㎠ 당 3~4mAh보다 2~3배 이상 높은 수준이다. 웨이퍼를 습식 식각해 표면 거칠기를 조절하면서 웨이퍼와 고체 전해질간 접촉면을 강화한 것이 비결이다. 연구팀은 상온에서 100회 이상 안정적인 충·방전에 성공했다고 설명했다.
서울대 관계자는 "여태까지 실현 불가능하다고 여겨진 100% 실리콘만을 전고체 배터리 음극으로 실현한 최초의 연구"라며 "반도체와 태양전지를 넘어 웨이퍼를 배터리에서 전극으로 사용할 수 있는 길을 열었다"고 말했다. 삼성미래기술육성재단과 과학기술정보통신부 한국연구재단 신진연구 사업 지원을 받은 이번 연구결과는 국제 학술지 'ACS 에너지 레터스'에 실렸다.
이해성 기자 ihs@hankyung.com