경상국립대 성재경 교수(공과대학 신소재공학부·나노신소재융합공학과) 연구팀이 전고체전지에 적용한 마이크로 실리콘 음극이 기존 액체전해질 리튬이온전지보다 수명과 고속 충·방전 성능에서 우수하다는 사실을 규명했다. 이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘Advanced Science’(Impact Factor 14.1, JCR 상위 7.6%) 7월 3일 자에 게재됐다.
연구팀은 동일한 마이크로 실리콘 음극을 액체전해질 리튬이온전지와 황화물계 전고체전지에 각각 적용한 뒤 성능과 계면 열화 과정을 비교 분석했다.
실리콘 음극은 기존 흑연 음극보다 에너지 저장 용량이 훨씬 커 차세대 배터리 핵심 소재로 주목받고 있다. 그러나 충·방전을 반복할 때 부피가 크게 팽창·수축하면서 입자가 쉽게 파손되고, 전극 표면의 고체전해질계면(SEI)이 반복적으로 생성돼 배터리 수명이 짧아지는 한계가 있었다.
이 같은 문제를 해결하기 위해 전해질을 고체로 바꾼 전고체전지가 차세대 배터리로 떠오르고 있지만, 실제로 실리콘 음극의 성능과 내구성을 얼마나 개선하는지에 대해서는 명확한 검증이 부족했다.
연구 결과 액체전해질 전지에서는 전해질이 전극 내부까지 침투하면서 실리콘 입자가 파쇄되고 불안정한 SEI가 반복적으로 생성됐다. 이 과정에서 전극이 팽창하고 내부 저항이 증가해 성능 저하와 수명 감소로 이어졌다.
반면 전고체전지에서는 실리콘이 연속적인 얇은 리튬-실리콘(Li-Si) 층으로 변화했으며, 계면 반응도 고체전해질과 실리콘이 접촉하는 제한된 영역에서만 일어났다. 이로 인해 실리콘 입자 파손과 계면 열화가 크게 억제되면서 장수명과 안정적인 고율 성능을 확보한 것으로 확인됐다.
제1저자인 나노신소재융합공학과 석·박사통합과정 김석진 씨는 "전고체전지 속 실리콘 음극이 액체전해질 방식의 한계를 실제로 극복할 수 있는지를 확인하기 위해 단순한 성능 비교를 넘어 계면에서 발생하는 변화와 전극 구조를 정밀하게 분석했다"며 "이번 연구는 고에너지밀도 전고체전지용 실리콘 음극 설계 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다"고 말했다.
한편 이번 연구는 전기차와 피지컬 AI 기반 로봇, 드론, 자율주행 등 고성능·고안전성 배터리가 요구되는 미래 산업에서 전고체전지 상용화를 앞당길 핵심 기술로 활용될 것으로 기대된다.
진주=강연만 기자 kk77@kukinews.com
