전기차 주행거리 ‘획기적 연장’ 기술 개발

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울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 조재필(사진) 특훈 교수팀(이하 연구팀)이 전기차 주행 거리를 대폭 늘릴 수 있는 ‘고용량 음극 소재’인 ‘실리콘 계열 소재의 내구성을 획기적으로 개선하는 합성기술’을 개발했다고 14일 밝혔다.

울산과학기술원 조재필 교수팀
실리콘음극재 입자 줄일 ‘합성법’
실험 결과 1나노 이하 형성 가능

전기차 주행 거리는 배터리 용량에 비례하는데, 리튬이온배터리에 현재 널리는 쓰이는 흑연 소재보다 이론적으로 10배 이상 용량이 큰 실리콘 계열 소재가 있으나 내구성이 문제로 지적돼 왔다. 충·방전할 때마다 실리콘 부피가 여러 배(360%) 부풀어 올라 손상되기 쉽고, 폭발 위험도 있어 현재 흑연에 섞어 쓸 수 있는 실리콘계 소재 함량은 5%(400mAh/g급) 정도로 알려져 있다.

급격한 부피 변화를 막기 위해 실리콘 음극재 입자를 최대한 작게 만들어야 하는데, 입자 크기를 1나노미터(㎚) 이하(10억분의 1m)로 줄일 수 있는 합성법을 연구팀이 만들어낸 것이다.

연구팀은 실리콘 핵 형성 이후 바로 성장을 억제할 수만 있다면 실리콘 크기를 매우 작게 구현할 수 있을 것이라는 가정을 세웠다. 이어 실리콘 원료인 실레인 가스와 함께, 그보다 더 안정한 에틸렌(C2H4) 가스를 주입하면 핵 성장이 억제되는 것을 확인했다. 이를 바탕으로 실제 실험을 진행한 결과 ‘1나노미터 이하 실리콘’이 형성될 수 있다는 것을 밝혔다.

이렇게 합성된 음극재 부피 팽창률은 상용 흑연 소재(13%)와 유사한 15% 정도로 나왔다. 또 2800회 충·방전을 반복한 후에도 초기 용량의 91%를 유지했다. 송현수 기자 songh@


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