가천대 연구팀, 전고체전지용 순수 실리콘 음극 성능 5배 높였다
한국지질자원연구원과 공동 연구...신소재 바인더 'IRCB' 개발
기존 실리콘 음극 부피 팽창 문제 해결...용량 유지율 90% 달성
권태혁 기자2026.03.10 13:35
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| 이동수 가천대 화공생명배터리공학부 교수, 박찬호 교수, 최정현 교수, 정인철 한국지질자원연구원 박사, 남유리 가천대 석사, 이찬호 석사과정.(왼쪽 위부터 시계방향)/사진제공=가천대 |
배터리는 양극과 음극 사이를 리튬 이온이 오가며 에너지를 저장하고 방출한다. 음극 소재로 주로 쓰이는 흑연 대신 실리콘을 사용하면 이론적으로 약 10배 많은 전기를 저장할 수 있어 같은 크기의 배터리를 더 오래 사용할 수 있다.
하지만 실리콘은 충·방전 과정에서 부피가 최대 3배까지 팽창하고 수축하는 특성이 있다. 이 과정에서 입자 파괴와 계면 박리, 내부 단절 등의 문제가 발생해 상용 배터리에서는 소량 첨가 형태로만 활용됐다. 특히 전극과 전해질이 밀착돼야 하는 전고체전지에서는 이러한 부피 변화로 고체 간 접촉이 쉽게 깨져 순수 실리콘을 적용하는 데 한계가 있었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 3차원 그물망 구조의 IRCB를 설계했다. 해당 바인더는 에폭시-아민 반응을 통해 형성된 3차원 고분자 네트워크 구조로 실리콘 입자 표면과 강한 수소·화학적 결합을 형성한다. 이를 통해 입자 간 결합력을 높이고 반복적인 부피 변화에도 전극 구조가 무너지지 않도록 했다.
실험 결과 IRCB를 적용한 순수 실리콘 음극은 300회에 달하는 빠른 충·방전 후에도 초기 용량의 90% 이상을 유지했다. 이는 기존 PVDF 바인더 기반 실리콘 음극의 용량 유지율인 16%와 비교해 5배 이상 향상된 수치다. 배터리를 오래 사용해도 성능 저하가 크게 줄어든 셈이다.
이 교수는 "전고체전지 분야에서 도전적인 소재로 여겨지는 순수 실리콘 음극을 안정적으로 구현할 수 있는 가능성을 제시했다"며 "고에너지밀도 전고체전지 상용화를 앞당길 기반 기술이 될 것"이라고 설명했다.
한편 이번 연구는 △산업부 '소재부품기술개발사업' △과기정통부 '기초연구사업' △한국지질자원연구원 '기본사업' 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 에너지·재료 분야 국제학술지 'Advanced Science'(IF=14.1) 온라인판에 게재됐다.
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| 가천대와 한국지질자원연구원 공동 연구팀의 연구 모식도 이미지./사진제공=가천대 |
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