고민성 부경대 교수,전기차 주행거리 늘리는 차세대 음극소재 개발

부경대 고민성 교수, 네이처 자매지에 연구논문 게재

전기자동차의 주행거리를 대폭 늘릴 수 있는 차세대 음극소재가 개발돼 주목받고 있다.

부경대학교 고민성 교수(금속공학과)는 울산과학기술원(UNIST) 조재필‧김성엽 교수팀과 공동으로 이차전지의 음극소재인 실리콘의 부피 팽창을 수용할 수 있는 탄소지지체를 디자인하는 데 성공하고, 이 연구결과를 <네이처>의 자매지 <네이처 커뮤니케이션즈> 온라인판에 게재했다고 3일 밝혔다.

현재 전기자동차용 이차전지의 음극소재로 사용하는 흑연은 이론적으로 사용 가능한 용량이 낮아 전기자동차의 한정된 배터리 수용 공간을 최대로 활용해도 1회 충전에 450 ㎞ 이상의 주행이 어려웠다.

이런 문제를 해결하기 위해 이차전지 음극소재를 흑연보다 용량이 10배 이상인 실리콘으로 대체하기 위한 연구가 지금까지 진행돼왔지만, 실리콘은 충전 과정에서 부피가 3배 이상 증가해 전지의 팽창 현상을 일으키고, 전지의 성능을 급격히 감소시켜 안정성이 떨어지는 한계가 있었다.

고민성 교수는 이번 연구에서 탄소지지체가 갖는 50 nm(1nm은 10억분의 1미터)를 초과하는 마크로기공을 자유롭게 조절할 수 있는 기술을 개발하고, 자체 개발한 균질코팅 합성법을 이용해 실리콘을 복합화하는 방식으로 실리콘의 부피 팽창을 수용하는 데 성공했다.

이 탄소지지체를 이차전지에 적용한 뒤 두께 측정 시스템으로 실리콘의 부피 팽창을 측정한 결과, 탄소지지체의 기공들이 충전과정에서 실리콘의 부피 팽창을 수용, 높은 용량을 가지는 실리콘이 팽창 두께는 흑연과 유사한 것으로 나타났다.

고 교수는 “이번 연구로 전지의 성능과 안정성을 동시에 높이는 원천 기술을 확보, 700 km 이상의 주행거리를 갖는 전기자동차 개발을 한층 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”며 “기공 크기를 제어한 탄소지지체의 제조는 매우 간단한 공정으로 대량 합성이 가능하기 때문에 전기자동차는 물론 중대형 에너지 저장장치 등에도 다양하게 활용할 수 있다”고 말했다.

부산=김태현 기자 hyun@hankyung.com