Research

[피리딘 질소 기반 계면 설계로 보호막 형성·리튬이온 이동 동시 제어]

스마트폰이나 전기차처럼 배터리를 쓰는 사람이라면 누구나 한 번쯤 '배터리가 조금만 더 빨리 충전되면 좋겠다'라고 생각해 본 적이 있을 것이다. 그런데 최근 POSTECH 연구팀이 이 바람에 한 걸음 다가서는 기술을 개발했다.

 POSTECH 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수, 화학공학과 강송규 박사 연구팀이 국립부경대 화학공학과 이상호 교수 연구팀과 함께 피리딘 질소가 풍부한 탄소 계면층을 실리콘 표면에 형성함으로써 실리콘 음극의 계면 안정성과 급속충전 성능을 크게 향상시켰다. 이번 연구는 에너지 저장 분야 국제 학술지인 ‘Energy Storage Materials’에 게재되었다.

 실리콘은 같은 무게로 훨씬 많은 에너지를 담을 수 있어 차세대 배터리 음극 소재로 주목받고 있다. 그러나 충·방전을 반복하는 과정에서 입자가 잘게 부서지고 전극 안의 전기가 흐르는 길이 끊어질 뿐만 아니라 노출된 실리콘과 전해질 간 불안정한 계면(SEI)이 형성되어 배터리 수명이 떨어졌다.

 무엇보다 실리콘 표면은 원자가 배열된 모양에 따라 여러 개의 '면'으로 이뤄져 있는데, 이 중 원자가 유독 촘촘하게 박힌 면(Si(111)¹⁾)은 리튬이 잘 파고들지 못한다. 충전 속도가 빨라질수록 이 '느림보 구역'은 반응을 따라가지 못해 결국 놀고 있는 셈이 되고, 그만큼 배터리가 담을 수 있는 용량과 충전 속도도 제자리걸음을 하게 된다.

 연구팀은 이 문제를 실리콘 표면에 얇은 '안내판'을 깔아주는 방식으로 풀었다. 핵심 재료는 '피리딘²⁾'이라는 물질에 들어 있는 질소다. 연구팀은 실리콘과 탄소나노섬유 사이에 이 피리딘 질소가 풍부한 얇은 탄소 층을 만들어 넣었는데, 이 질소가 두 가지 역할을 동시에 해냈다. 첫째, 질소 주변에는 자석처럼 한쪽으로 치우친 미세한 전기적 성질이 생기는데, 이것이 전해질 속 특정 첨가제(FEC³⁾)를 실리콘 표면으로 끌어당긴다. 그 결과 실리콘 표면에 얇고 튼튼한 보호막이 고르게 입혀져, 배터리를 갉아먹는 부작용을 막아준다. 둘째, 이 질소는 플러스 전기를 띤 리튬을 잡아당기는 성질이 있어, 리튬이 한곳에만 몰리지 않고 표면 전체에 골고루 퍼지도록 교통정리를 해준다. 덕분에 예전에는 방치되던 '느림보 구역'까지 리튬이 빠짐없이 스며들게 됐다.

 이 계면층을 적용한 실리콘 음극은 초고속 충전 조건에서 기존 상용 음극보다 약 5배 높은 용량을 냈고, 300번 충·방전을 반복한 뒤에도 처음 성능의 86.5%를 유지했다. NCM811 양극과 결합한 풀셀에서도 160회 사용 후 약 90%의 성능을 지켜냈다.

 이번 성과는 전기차와 스마트폰의 충전 시간을 줄이면서도 오래 쓰는 배터리를 만드는 데 밑거름이 될 것으로 기대된다. POSTECH 김원배 교수는 "실리콘 표면을 물리적으로 보호하는 것을 넘어, 계면의 전자 구조를 제어해 전해질 반응과 리튬 이동을 동시에 향상할 수 있는 설계 전략을 제시했다는 점에서 의의가 있다"라고 밝혔다. 또한, 국립부경대 이상호 교수는 "반응성이 낮은 실리콘 결정면까지 리튬이 균일하게 전달되도록 해 고속 충·방전 조건에서 실리콘의 활용도를 높일 수 있음을 확인했다"라고 전했다.

 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구사업, 산업통상자원부 배터리 특성화대학원 사업 및 산업통상자원부 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다.

▶️ DOI: https://doi.org/10.1016/j.ensm.2026.105431

1. Si(111): 실리콘 결정 표면 한 종류다. 실리콘 원자는 규칙적으로 배열돼 결정을 이루는데, 이 결정을 어느 방향으로 잘랐느냐에 따라 표면에 드러나는 원자의 배치가 달라진다. 괄호 안 숫자(111)는 그 자른 방향을 나타내는 기호다. 

2. 피리딘(pyridine): 탄소와 질소로 이뤄진 고리 모양의 화합물이다. 육각형 고리에서 탄소 하나가 질소로 바뀐 구조로, 이 질소가 주변 전자를 끌어당기는 성질과 다른 물질과 잘 달라붙는 성질을 지닌다. 

3. FEC(플루오로에틸렌 카보네이트, fluoroethylene carbonate): 배터리 전해질에 소량 넣는 첨가제로 충전 초기에 실리콘 표면에서 먼저 반응해, 표면을 감싸는 얇고 안정적인 보호막을 만들어 준다. 이 보호막이 실리콘과 전해질 사이의 원치 않는 부반응을 막아 배터리 수명을 늘린다.