▲ 고용량 음극소재 개발한 조재필 교수(왼쪽 세 번째)와 연구원들.

울산과학기술원(UNIST) 연구진이 고용량·고출력의 배터리 음극소재를 대량 생산하는 기술을 개발했다.

조재필 에너지 및 화학공학부 교수팀은 기존 음극소재인 흑연보다 용량을 45% 늘린 고출력 '흑연·실리콘 복합체'를 개발했다고 9일 발표했다.

특히 연구진은 6시간 만에 이 물질 300㎏ 이상을 양산할 수 있는 장비와 공정도 함께 개발, 가격경쟁력도 확보했다는 평가를 받고 있다.          

전기차 등의 대중화로 이차전지 수요가 늘고 있지만, 그동안 높은 에너지밀도와 성능을 유지하면서도 가격이 저렴한 음극소재 개발은 지지부진했다.

흑연보다 용량이 큰 실리콘이 주목받았지만, 실리콘 소재는 충전과 방전을 반복하는 동안 부피가 4배가량 늘어나고 전지 성능이 급격히 감소하는 문제가 있었다.

조 교수팀은 기존 흑연 음극소재에 실리콘 나노 코팅기술을 적용, 이종물질 간 최적의 호환성을 갖은 흑연·실리콘 복합체를 구현했다. 소재 성능을 최적화해 실리콘의 문제점을 해결하고, 고에너지 전지의 기술적 요구사항을 충족시킨 것이다.

크기가 20㎚ 이하인 실리콘 나노 입자는 충·방전 동안 부피가 크게 변하지 않았고, 전자와 리튬이온의 이동거리가 줄어 고속 충전이 가능해졌다.

조 교수는 "개발된 음극소재는 전기차 주행거리 연장에도 이바지할 것"이라면서 "기존 흑연계 물질로 주행거리가 200㎞ 안팎이었다면, 새 소재로는 300㎞까지 주행할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

그는 "현재 개발된 일본과 중국의 경쟁사와 비교해 동일 용량을 가진 전지 평가에서 부피팽창률이 15% 이상 감소됐다"면서 "전 세계적으로 불붙은 이차전지 개발 경쟁에서 가격과 안전성 측면에서 우수한 음극소재 원천기술을 선점했다는 의미가 있다"고 강조했다.

연구 결과는 에너지 분야 권위 있는 학술지인 '네이처 에너지(Nature Energy)' 온라인판에 실렸다.

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