최근 인공지능 로봇과 자율주행차 등 피지컬 AI 시장이 빠르게 성장하면서, 높은 에너지 밀도와 안전성을 동시에 갖춘 전고체 전지 개발 경쟁이 치열해지고 있다. 특히 '꿈의 배터리'로 불리는 전고체 전지는 기존 리튬이온 배터리 대비 화재 위험이 낮고 에너지 밀도가 높아 차세대 기술로 각광받고 있다.
연구팀이 주목한 것은 실리콘 기반 음극 소재다. 실리콘은 기존 흑연보다 훨씬 높은 이론용량을 지니고, 리튬 금속 대비 안전성도 뛰어나 전고체 전지의 핵심 소재로 꼽힌다. 그러나 충·방전 과정에서 발생하는 심각한 부피 변화로 인해 전극 구조가 쉽게 무너지고 성능이 급격히 저하되는 문제가 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다.
이를 해결하기 위해 연구팀은 두께 약 90나노미터(nm), 길이 약 1.2마이크로미터(μm)의 '나노-마이크로 시트 구조' 실리콘 소재를 새롭게 설계했다. 이 구조는 나노 소재의 유연성과 마이크로 소재의 높은 반응 효율을 동시에 확보한 것이 특징이다.
기존 나노 실리콘은 부피 변화에 강하지만 표면적이 넓어 반응 효율이 떨어지는 한계가 있었고, 마이크로 실리콘은 반응 효율은 높지만 반복 사용 시 쉽게 파손되는 문제가 있었다. 연구팀은 이 두 구조의 장점을 결합해 안정성과 효율성을 동시에 확보하는 데 성공했다.
특히 이번 소재는 단일 공정으로 대량 생산이 가능해 산업적 활용 가능성도 높다. 연구를 주도한 김주은 연구원은 새로운 구조 설계를 통해 실용성과 성능을 동시에 잡았다고 설명했다.
연구팀은 얇고 긴 시트 구조 덕분에 충·방전 과정에서 발생하는 부피 변화가 효과적으로 완화되고, 리튬 이온의 이동 경로가 직선화되면서 반응 속도와 균일성이 향상된 것으로 분석했다. 그 결과 급속 충·방전 성능과 수명 특성을 동시에 확보할 수 있었다.
이번 연구 성과는 국제 학술지 Chemical Engineering Journal에 지난 3월 23일 게재됐으며, 전고체 배터리용 실리콘 음극 소재의 새로운 설계 전략을 제시했다는 점에서 학계와 산업계의 주목을 받고 있다.
