포항공과대학교 (POSTECH)의 연구진, 마이크로 실리콘 입자 및 젤 폴리머 전해질을 사용한 리튬이온 배터리 개발

포항공과대학교 (POSTECH)의 연구진은 마이크로 실리콘 입자와 젤 폴리머 전해질을 사용한 획기적인 리튬이온 배터리를 개발해 에너지 밀도와 안정성을 크게 향상시켰습니다. 이 혁신은 실리콘의 팽창 문제를 해결하고, 배터리 수명과 효율이 더 긴 전기차를 가능하게 할 수 있을 것으로 예상됩니다.

21세기 소비자 전자제품 전시회 (CES) 2024에서는 AI 및 의료 분야의 혁신적인 발전이 선두에 섰습니다. 그러나 배터리 기술은 이러한 혁신의 핵심입니다. 특히 전기차에서 이 기술이 가장 집중적으로 적용되고 있습니다.

현재의 전기차는 한 번 충전으로 약 700km 정도 이동할 수 있지만, 연구진들은 1,000km의 배터리 용량을 추구하고 있습니다. 연구진들은 고 저장 용량으로 잘 알려진 실리콘을 리튬이온 배터리의 양극재로 사용하기 위해 열심히 연구하고 있습니다. 그러나 실용화하는 것은 여전히 산발적인 문제입니다.

식품과학기술대학교 (POSTECH)의 화학과 교수인 박수진 교수, 박사과정인 제민준 박사, 그리고 혜빈 손 박사는 이 문제를 해결하고 실리콘 기반의 경제적이면서도 튼튼한 차세대 고에너지 밀도 리튬이온 배터리 시스템을 개발했습니다. 이 연구 결과는 최근 Advanced Science 저널에 발표되었습니다.

실리콘을 배터리 재료로 사용하는 것에는 다음과 같은 어려움이 있습니다. 실리콘은 충전하는 동안 크기가 3배 이상 팽창한 후 토출 시 원래 크기로 다시 축소되어 배터리의 효율을 크게 감소시킵니다. 나노 사이즈의 실리콘을 사용하는 것은 이 문제를 부분적으로 해결할 수 있지만, 생산 과정이 복잡하고 매우 비용이 많이 들어가기 때문에 예산적으로 어려운 과제입니다.

반면 마이크로 사이즈의 실리콘은 비용과 에너지 밀도 측면에서 아주 효율적입니다. 그러나 더 큰 실리콘 입자의 팽창 문제는 배터리 작동 중 더욱 두드러지게 되어 양극재로 사용하는 데 제한을 가지고 있습니다.

연구팀은 젤 폴리머 전해질을 적용하여 경제적이면서도 안정적인 실리콘 기반 배터리 시스템을 개발했습니다. 리튬이온 배터리의 전해질은 양극과 음극 사이의 이온 이동을 편리하게 하는 중요한 구성 요소입니다. 기존의 액체 전해질과 달리 젤 전해질은 고체 또는 젤 상태로 존재하며 탄성 있는 고분자 구조를 가지고 있어 액체 전해질보다 안정성이 뛰어납니다.

연구팀은 마이크로 실리콘 입자와 젤 전해질 사이에 공유 결합을 형성하기 위해 전자 빔을 사용했습니다. 이러한 공유 결합은 리튬이온 배터리 작동 중 발생하는 부피 팽창으로 인한 내부 응력을 분산시키고, 마이크로 실리콘의 부피 변화를 완화하여 구조적 안정성을 향상시키는 역할을 합니다.

결과는 놀랍습니다. 연구팀이 개발한 배터리는 전통적인 나노 실리콘 양극재보다 100배 큰 마이크로 실리콘 입자 (5μm)를 사용하더라도 안정적인 성능을 발휘했습니다. 또한 연구팀이 개발한 실리콘-젤 전해질 시스템은 액체 전해질을 사용하는 기존의 배터리와 유사한 이온 전도성을 나타냈으며, 에너지 밀도가 대략 40% 향상되었습니다. 게다가, 이 연구팀의 시스템은 즉각적인 응용이 가능한 간단한 제조 공정을 가지고 있어 매우 가치있습니다.

박수진 교수는 “마이크로 실리콘 양극을 사용했음에도 안정적인 배터리를 구현했습니다. 이 연구는 우리를 현실적인 고에너지 밀도 리튬이온 배터리 시스템에 한 발 더 가깝게 이끌어줍니다.”라고 강조했습니다.

참조: “Formulating Electron Beam-Induced Covalent Linkages for Stable and High-Energy-Density Silicon Microparticle Anode” by Minjun Je, Hye Bin Son, Yu-Jin Han, Hangeol Jang, Sungho Kim, Dongjoo kim, Jieun Kang, Jin-Hyeok Jeong, Chihyun Hwang, Gyujin Song, Hyun-Kon Song, Tae Sung Ha and Soojin Park, 17 January 2024, Advanced Science.DOI: 10.1002/advs.202305298이 연구는 한국국립연구재단의 독립연구원 프로그램의 지원을 받았습니다.

자주 묻는 질문 (FAQ) 섹션

1. 마이크로 실리콘 입자와 젤 폴리머 전해질이 무엇인가요?
마이크로 실리콘 입자는 실리콘을 매우 작은 입자로 분쇄한 것을 의미합니다. 젤 폴리머 전해질은 고체 또는 젤 상태로 존재하는 전해질로, 탄성 있는 고분자 구조를 가지고 있어 안정성이 뛰어납니다.

2. 실리콘을 배터리 재료로 사용하는 것에 어떤 문제가 있나요?
실리콘은 충전하는 동안 크기가 팽창한 후 다시 축소되어 배터리의 효율을 감소시킵니다. 이러한 실리콘의 팽창 문제는 배터리 작동 중 더욱 두드러지게 되어 제한 사항으로 작용합니다.

3. 왜 마이크로 실리콘 입자와 젤 전해질을 사용한 배터리가 혁신적인 것인가요?
마이크로 실리콘 입자와 젤 전해질을 사용한 배터리는 안정적인 성능을 유지하는 동시에 높은 에너지 밀도를 가질 수 있습니다. 이러한 기술은 배터리 수명과 효율이 더 긴 전기차를 가능하게 만들 수 있을 것으로 예상됩니다.

4. 이 연구 결과에 대해 어떤 발전이 예상되나요?
이 연구 결과는 실리콘 기반의 경제적이면서도 안정적인 차세대 고에너지 밀도 리튬이온 배터리 시스템의 개발에 대한 한 발 더 가까워질 수 있습니다. 이를 통해 전기차의 주행 거리를 더욱 증가시키고 배터리의 안정성과 효율성을 향상시킬 수 있을 것으로 기대됩니다.

5. 이 연구 결과에 관련된 추가 정보는 어디에서 얻을 수 있나요?
추가 정보를 얻으려면 다음 링크를 참조하세요: 포항공과대학교 (POSTECH) 웹사이트

BySeweryn Dominsky

Seweryn Dominsky is an accomplished technology writer specializing in the intersection of fintech and emerging technologies. With a degree in Computer Science from the esteemed University of Pittsburgh, Seweryn combines academic rigor with practical insights gained through years of professional experience. He has worked at FinTech Horizons, where he contributed to pioneering projects that redefine the financial landscape. His extensive knowledge of digital innovation and regulatory changes positions him as a thought leader in the industry. Seweryn is passionate about demystifying complex technological concepts for diverse audiences, ensuring that his readers are well-informed in an ever-evolving digital economy.