“단 한 번 20분 충전으로”…전기차, 서울∼부산 왕복 주행

포스텍, 흑연 음극재 대신 ‘실리콘 기반 음극소재’ 개발 단단하면서 깨지지 않는 음극재..1000㎞ 주행거리 성능 단 한 번의 20분 충전으로 서울과 부산을 왕복할 수 있는 전기차 소재가 개발됐다. 포스텍은 박수진 화학과 교수·제민준 박사 연구팀이 최장욱 서울대 교수팀, LG에너지솔루션과 공동으로 충·방전을 반복해도 쉽게 부서지지 않는 ‘고강도 실리콘 소재’를 개발했다고 1일 밝혔다. 전기차 배터리 음극재로 가장 많이 쓰인 소재는 흑연으로, 현재 저장할 수 있는 에너지 양이 이미 이론적 한계에 다다랐다는 평가다. 이에 흑연보다 10배 이상 많은 에너지를 저장할 수 있는 실리콘이 주목받고 있다. 하지만 실리콘은 충·방전을 반복하는 과정에서 부피가 무려 300%까지 부풀었다 줄어들어 수명이 짧아지는 한계가 있다. 연구팀은 소재를 단단하게 만드는 데 집중했던 기존 연구와 달리 반복적인 부피 변화를 버텨내는 강도에 주목하고, 실리콘 산화물에 32나노미터 크기 불화리튬 결정을 정밀하게 배치했다. 여기에 이온은 잘 통과시키고, 빠르게 이동시키는 특수 코팅을 입자 표면에 입혀 급속충전할 수 있게 구현했다. 실험 결과, 연구팀이 개발한 소재는 충방전 과정에서 부피 변화가 18.9% 수준에 머물렀다. 실제 배터리 평가에서도 10∼80% 충전 기준 20분 급속충전 조건으로 1000회 이상 안정적으로 작동했다. 아울러 1.26Ah(암페어시)급 파우치형 배터리에서도 500회 이상 정상 작동했으며, 에너지 밀도는 1㎏당 402Wh, 부피 기준으로 1ℓ당 1125Wh를 기록했다. 실제 전기차에 적용하면 한 번 충전으로 주행거리가 1000㎞에 달하는 수준이라고 연구팀은 설명했다. 박수진 포스텍 교수는 “고에너지 밀도와 급속충전을 만족하는 차세대 배터리 상용화를 앞당기는 계기가 될 것”이라고 말했다. 연구결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 온라인에 실렸다.