국립금오공과대학교 박철민 교수(재료공학부 신소재공학전공) 연구팀이 리튬이온전지와 전고체전지에 모두 적용 가능한 ‘차세대 실리콘 기반 음극소재’를 개발했다.
실리콘은 현재 상용 흑연 음극보다 약 10배 높은 이론용량을 가져 전기자동차와 에너지 저장장치의 주행거리 및 저장용량을 높일 수 있는 대표적인 차세대 음극소재로 주목받고 있다. 그러나 충·방전 과정에서 300% 이상에 이르는 큰 부피 변화가 발생해 입자 파쇄, 전극 균열, 전기적 접촉 손실, 불안정한 계면 형성 등의 문제로 인한 장기 수명과 실제 셀 적용에 한계가 있었다. 특히 고체 전해질을 사용하는 전고체전지는 액체 전해질과 달리 이온전도도가 낮고, 균일하지 않은 접촉면에서는 리튬이온이 확산되지 않아, 고체 간 계면접촉을 안정적으로 유지하는 것이 성능 향상과 실용화를 위한 핵심과제로 여겨져 왔다.
연구팀은 이러한 문제해결을 위해 실리콘 나노결정립을 여러 기능성 매트릭스 안에 균일하게 분산·고정하는 ‘다중 매트릭스’ 설계 전략을 제시했다. 먼저 실리콘(Si), 주석(Sn), 코발트(Co)를 기계화학적으로 반응시켜 비정질 주석과 코발트 실리사이드(CoSi2)로 이루어진 복합 매트릭스 내에 나노크기 실리콘 결정립이 균일하게 분산된 복합체를 제조했다. 이후 흑연과 비정질 탄소 코팅층을 추가로 도입해 최종 실리콘 기반 나노복합 음극을 구현했다.
이러한 실리콘 기반 나노복합 음극에서 ‘비정질 주석’은 높은 연성과 전자전도성을 바탕으로 실리콘의 부피 변화 완화와 전자 이동 경로를 제공한다. ‘코발트 실리사이드’는 기계적으로 견고하면서도 탄성 회복이 가능한 골격 역할을 하며 반복적인 충전과 방전에서도 전극 구조를 안정적으로 유지한다. 또한 ‘흑연’은 리튬 저장이 가능한 전도성 완충 지지체로 작용하며, ‘비정질 탄소 코팅층’은 입자 간 전도 네트워크와 계면 안정성을 향상시킨다. 즉, 각각의 구성 요소가 전도성, 탄성, 구조 안정성, 계면 안정성을 분담하면서 상호 보완적으로 작용하도록 설계한 것이 이번 연구의 핵심이다.
그 결과, 개발된 실리콘 기반 나노복합 음극은 액체 전해질을 사용하는 리튬이온전지와 황화물계 전고체전지 모두에서 높은 에너지밀도를 구현했다. 특히 NCM811 양극과 조합한 완전셀에서 ‘리튬이온전지’는 434.4 Wh kg-1의 에너지밀도를 나타냈고, ‘전고체전지’는 300 Wh kg-1이상의 에너지밀도 구현 가능성을 확인했으며, 충·방전 후에도 안정적인 전극 구조와 계면을 유지했다.
박철민 교수는 “이번 연구는 단순히 고용량 실리콘 음극을 구현한 데 그치지 않고, 실리콘 음극의 구조적 붕괴, 낮은 전자전도도, 충·방전 중 전기적 접촉 손실, 계면 불안정성을 동시에 완화할 수 있는 다중 매트릭스 설계 전략을 제시했다는 데 의미가 있다”며 “액체 전해질 리튬이온전지와 황화물계 전고체전지 모두에 적용 가능한 실리콘 음극 플랫폼으로, 향후 전기자동차 및 에너지저장 장치용 고에너지밀도 배터리 개발에 기여할 것으로 기대된다.”고 밝혔다.
이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 중점연구소사업 및 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 국립금오공대 재료공학부 박철민 교수, 국민대 신소재공학부 김재헌 교수, 한국전기연구원 하윤철 박사가 공동 교신저자로 참여했으며, 국립금오공대 신소재공학과 이영한 연구원이 제1저자로, 한제현, 김덕규, 유정운 박사과정 연구원이 공동저자로 연구를 수행했다.
이번 연구 결과는 재료·에너지 분야 상위 1% 이내 국제학술지인 ‘Nano-Micro Letters(Impact Factor 38.5, 2025 JCR 기준)’에 2026년 6월 22일 온라인 게재됐다.
임주석 기자 scent1228@naver.com “새 감각 바른 언론” - Copyrights ⓒ경북중부신문.
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