Research

[쌍극자 공학 기반 다기능 탄소 도전재 개발… 실리콘 음극 계면·구조 동시 안정화]

배터리 속에는 전자가 다니는 길을 놓아주는 '전선' 같은 부품이 있다. 그동안 그저 조용한 조연으로만 여겨지던 이 부품이, 알고 보니 배터리를 지키는 주연급 실력자였다. POSTECH 연구팀이 이 부품에 특별한 능력을 더해 차세대 배터리의 오랜 골칫거리였던 '실리콘'의 약점을 말끔히 해결했다.

 POSTECH 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수, 화학공학과 강송규 박사, 배터리공학과 김현주 석사 연구팀은 탄소나노섬유(Carbon Nanofiber, CNF)에 특수한 화학 작용기를 붙여, 실리콘 배터리의 구조를 튼튼하게 잡아주는 동시에 표면 반응까지 스스로 조절하는 다기능 소재를 개발했다. 이번 연구는 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'의 앞표지 논문으로 실렸다.

 실리콘은 다른 소재에 비해 무게당 많은 전기를 담을 수 있어 차세대 배터리의 유망주로 꼽힌다. 문제는 충전과 방전을 반복하면서 실리콘이 풍선처럼 부풀었다 쪼그라들기를 반복한다는 점이다. 이 과정에서 실리콘 입자가 깨지고, 새로 드러난 표면이 전해질과 반응해 얇은 보호막을 만든다. 이 보호막이 안정적이면 문제가 없지만, 실리콘이 계속 부풀고 줄어들면 보호막도 깨졌다 다시 생기기를 반복한다. 그때마다 배터리 재료가 낭비되고 전기 통로가 끊겨, 결국 용량이 줄고 수명이 짧아진다. 실리콘의 큰 부피 변화를 견디면서도 얇고 균일한 보호막을 유지하는 것이 오랜 숙제였던 이유다.

 그동안 배터리 속 '도전재'는 전자가 오고 가는 길을 놓아주는 전선 정도로만 여겨져 왔다. POSTECH 연구팀은 여기에 발상을 더했다. 탄소나노섬유 표면에 '설폰산기(-SO3H)'라는 작용기를 붙여, 전기를 나르는 것은 물론 실리콘 주변 환경까지 다스리는 소재를 만든 것이다. 이 설폰산기는 실리콘 표면과 강하게 손을 맞잡아 부풀고 줄어드는 와중에도 전기 통로가 끊기지 않게 붙들어 준다. 더 흥미로운 점은 설폰산기가 지닌 강한 '극성'이다. 마치 자석처럼, 설폰산기는 보호막을 잘 만드는 전해질 첨가제(FEC)를 실리콘 곁으로 끌어당긴다. 그 결과 실리콘 표면에 불화리튬이 풍부한 튼튼한 보호막이 우선적으로 형성돼, 실리콘을 안정적으로 감싸면서 리튬이온은 원활하게 드나들 수 있게 됐다.

 효과는 성능으로 증명됐다. 이 소재를 적용한 실리콘 배터리는 300번 충·방전을 반복한 뒤에도 처음 용량의 94.2%를 유지했다. 특히 실제 제품에 쓰이는 조건에 가깝게 재료를 많이 넣었을 때도, 기존 실리콘 배터리(5 mAh cm-2)보다 두 배 이상 높은 용량(10.2mAh cm-2)을 담아내며 고성능 배터리의 가능성을 보여줬다.

 김원배 교수는 “그동안 보조 재료로만 여겨지던 도전재를, 배터리 표면 반응까지 능동적으로 다루는 기능성 소재로 확장했다는 데 의미가 있다"라며 "이번 전략이 고성능 실리콘 배터리 개발에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대한다"라고 전했다. 이 기술이 상용화되면, 한 번 충전으로 더 오래 쓰고 더 오래가는 전기차와 스마트폰 배터리가 우리 곁에 성큼 다가올 전망이다.

 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 선도연구센터(ERC), 과학기술정보통신부 중견연구사업, 그리고 산업통상자원부 배터리 특성화대학원 사업의 지원을 받아 수행됐다.

▶️ DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.75952