충·방전 과정에서 반복적으로 팽창·수축하는 실리콘으로 인해 성능이 떨어지는 차세대 배터리의 한계를 개선할 기술이 개발됐다. 새 기술을 적용한 배터리는 300회 충·방전 후에도 초기 용량의 94.2%를 유지했다.

포스텍은 김원배 화학공학과·배터리공학과 교수팀이 탄소나노섬유(CNF)에 특수한 화학 작용기를 붙여 표면 반응을 스스로 조절하고 실리콘 배터리 구조를 보호하는 다기능 소재를 개발했다고 8일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈'에 지난 5월 18일 앞표지 논문으로 게재됐다.

실리콘은 다른 소재에 비해 무게당 많은 전기를 저장할 수 있어 차세대 배터리 소재로 주목받는다. 문제는 충·방전을 반복할 때 실리콘이 풍선처럼 부풀었다 쪼그라들기를 반복한다는 점이다.

부피가 변하는 과정에서 실리콘은 입자가 깨지고 새로 드러난 표면이 전해질과 반응해 얇은 보호막을 형성한다. 보호막 역시 실리콘이 부풀고 줄어들 때마다 깨졌다 다시 생기기를 반복한다. 그 결과 배터리 재료가 낭비되고 전기 통로가 끊겨 용량이 줄고 수명이 짧아진다. 얇고 균일하면서도 실리콘의 큰 부피 변화를 견디는 보호막이 필요한 이유다.

연구팀은 전자가 이동하는 통로를 만드는 '도전재'인 CNF에 주목했다. CNF 표면에 화학작용기 '설폰산기(-SO3H)​'를 붙여 전도성을 유지하면서 실리콘 표면을 안정화하도록 설계했다. 설폰산기는 실리콘 표면을 강하게 붙잡아 부피 변화에도 전기 통로가 끊기지 않도록 한다.

동시에 설폰산기의 강한 극성을 띠는 성질은 자석처럼 보호막을 잘 만드는 '전해질 첨가제'를 실리콘 곁으로 끌어당기는 역할을 한다. 그 결과 실리콘 표면에 튼튼한 보호막이 형성돼 실리콘을 안정적으로 보호하며 이온이 원활하게 흐른다.

연구팀이 개발한 소재를 적용한 실리콘 배터리는 300번 충·방전을 반복해도 초기 저장 용량의 94.2%를 유지했다. 실제 배터리처럼 전극에 에너지를 저장하는 활물질을 많이 넣은 '고로딩' 조건에서도 기존 실리콘 배터리보다 두 배 이상 높은 용량을 확보했다.

김원배 교수는 "보조 재료로만 여겨지던 도전재를 배터리 표면 반응까지 능동적으로 다루는 기능성 소재로 확장했다"며 "이번 전략이 고성능 실리콘 배터리 개발에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대한다"고 말했다.

<참고 자료>

doi.org/10.1002/adfm.75952