임종우 교수팀 화재 강한 배터리 기술 개발





‘꿈의 배터리’로 불리는 전고체 배터리의 안정성과 성능을 대폭 개선할 수 있는 핵심기술을 모교 연구진이 개발했다. 임종우(사진) 모교 화학부 교수팀은 반도체에 사용되는 실리콘 웨이퍼를 전고체 배터리에 적용해 안정적인 구동에 성공했다고 밝혔다. 리튬이온 배터리의 불안정성으로 인한 전기차 배터리 폭발과 화재가 빈번한 가운데 주목받는 연구다.

전고체 배터리는 내부에 전해액 대신 불연성의 고체 전해질을 사용해 안전성이 높다. 에너지 밀도가 높고 충전 시간도 짧다. 기존의 흑연 음극을 대신해 리튬 금속 음극과 안전하고 친환경적·경제적이기까지 한 실리콘 음극을 사용할 수 있다는 것도 장점으로 꼽힌다. 그러나 전고체 배터리에서 실리콘 분말 전극은 입자 간의 공극(틈)이 있어 리튬 이동을 방해하게 된다. 이는 안정적인 구동을 저해하고 배터리 수명을 단축시키는 원인이 됐다.

임종우 교수 연구팀은 실리콘 분말 전극 대신 실리콘 웨이퍼 전극을 접목하는 아이디어로 이 문제를 해결했다. 실리콘 웨이퍼를 전극에 적용하면 공극이 없어 리튬의 이동이 용이하고, 부피당 밀도가 가장 높은 구조로 배터리의 고에너지 밀도를 달성하는 데 유리하다. 전지 노화를 일으키는 전해액과의 부반응의 위험도 없다. 연구팀은 실리콘 웨이퍼를 습식 식각해 표면 거칠기를 조절함으로써 웨이퍼와 고체 전해질을 밀착시키고, 실리콘 웨이퍼 음극재에 리튬이온이 불균형하게 들어가 계면이 들뜨는 현상도 방지했다. 이렇게 개발한 배터리로 현재 상용화된 리튬이온 배터리의 2~3배 크기 용량을 달성했고, 상온에서 100회 이상 안정적인 충전과 방전에 성공했다.

논문 제1 저자인 나익천 연구원은 “해당 논문은 여태까지 실현 불가능하다고 여겨진 100% 실리콘만을 포함하는 전극을 전고체 배터리에서 실리콘 웨이퍼를 적용해 실현한 최초의 연구”라고 설명했다. 본 연구 성과는 3월 27일 국제학술지 ACS 에너지 레터스에 발표했다.