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한국과학기술연구원(KIST) 이민아·홍지현 박사 연구팀은 기존 배터리에 사용되는 흑연 음극을 실리콘 음극으로 대체해 고질적인 용량 문제를 해결하는 기술을 개발함.

리튬 이온 배터리는 현재 많은 스마트기기에 널리 쓰이고 있지만 전력 소모가 큰 전기차 배터리로 사용하기 위해서는 개선이 필요한 상황임. 배터리의 음극 소재로 사용되는 흑연을 실리콘으로 바꾸면 이론상 4배 이상 배터리 용량이 높아질 수 있어 관련 연구가 진행 중임.

하지만 음극을 실리콘으로 바꿀 경우 한 번의 충전만으로도 리튬 이온이 20% 이상 손실돼 배터리 용량이 오히려 줄어든다는 한계가 있었음. 리튬 이온은 배터리 내부에서 전기를 운반함으로써 배터리를 작동시키는 핵심 역할을 함.

연구팀은 손실될 리튬 이온을 미리 보충해주는 ‘사전 리튬화 용액’을 만들어 해법을 찾았음. 개발한 용액에 배터리를 5분간 담그면 리튬 이온이 보충되고, 이후 배터리를 작동시켜도 용량 저하 현상이 거의 일어나지 않음. 연구팀의 실험결과 리튬 이온 손실량은 기존 20% 이상에서, 사전 리튬화 처리 후에는 1% 이하로 줄어드는 것으로 나타났음.

연구팀의 기술을 접목한 리튬 이온 배터리는 기존 흑연 음극 방식보다 배터리 용량이 25% 높은 것으로 나타났음. 전기차용 배터리로 활용될 가능성도 열었음. 홍 박사는 "이 기술을 활용하면 같은 무게 배터리로 전기차의 주행거리를 현재보다 100km 이상 늘릴 수 있을 것"이라고 밝힘.

이 박사는 "간단한 전산재료과학 기법으로 고용량 실리콘계 음극의 효율을 크게 향상시킬 수 있다"며 "기존 업계의 전지 제조 설비를 활용한 양산 가능성이 매우 크다"고 함.

본 연구 성과는 ‘Angewandte Chemie’ 지에 표지논문으로 게재됨