물, 기름, 전분 같은 튀김요리 재료와 실리콘 섞어 튀겨 배터리 음극 개발

따뜻한 방에서 먹는 바삭한 튀김요리는 추운 겨울철 운치를 더하는 먹을거리이다. 겨울철 구하기 쉬운 고구마나 감자 등 식재료를 먹기 좋게 썰어 튀김옷(전분가루)을 입혀 기름에 튀겨낸 것을 씹으면 바사삭, 와사삭하는 소리와 함께 입안에 가득 퍼지는 고소함은 먹는 재미를 더해준다. 그런데 재료과학자들이 고구마를 튀기는 방법을 응용해 전기차 주행거리를 2배 이상 늘릴 수 있는 배터리 재료를 개발해 화제가 되고 있다.

한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단, 전남대 신소재공학부, 한양대 에너지공학과 공동연구팀은 물과 기름, 전분가루 같이 일상 생활에서 쉽게 구할 수 있는 값싼 재료를 이용해 기존 배터리에 사용되는 흑연계 음극 소재보다 전지 용량이 4배 이상 크고 5분 만에 80% 이상 급속충전이 가능한 실리콘 기반 음극소재를 개발했다고 21일 밝혔다. 이 같은 놀라운 연구결과는 나노분야 국제학술지 ‘나노 레터스’에 실렸다.

현재 사용되고 있는 전기차 배터리는 흑연을 음극 소재로 사용하고 있는데 가솔린이나 디젤 같은 내연기관 자동차보다 주행거리가 여전히 짧다는 단점이 있다. 한 번 충전으로도 먼 거리를 오갈 수 있는 전기차를 개발하기 위해 연구자들은 흑연보다 에너지를 10배 이상 저장할 수 있는 실리콘을 차세대 음극소재로 주목하고 있다.그러나 실리콘도 충전과 방전을 거듭하다보면 부피가 급격히 팽창하고 용량이 크게 준다는 단점이 있다. 이 때문에 안정성을 높이기 위한 획기적인 기술이 나오지 않는 이상 복잡한 공정과 높은 생산비용 때문에 흑연을 대체하기는 쉽지 않다.

이런 상황에서 연구팀은 물, 기름, 전분 같은 튀김요리에 쓰이는 재료들에 주목했다. 물에 전분을 풀고 기름에는 실리콘을 풀어 섞은 뒤 가열해 탄소-실리콘 복합소재를 만들었다. 튀김을 만드는 것처럼 간단한 가열 공정으로 탄소와 실리콘 복합체를 단단히 고정시킴으로써 충전과 방전시 실리콘 음극재의 부피팽창을 막은 것이다.

이렇게 만든 복합소재는 기존 흑연계열 음극소재보다 같은 부피에 4배 이상 높은 저장용량을 보였으며 500회 이상 충전과 방전에도 안정적으로 용량이 유지되고 5분 이내에 80% 이상 급속 충전이 가능하다는 것을 확인했다. 탄소구조체가 실리콘 부피팽창을 억제해 실리콘 소재 안정성을 높이고 탄소의 높은 전기전도도와 실리콘 구조의 재배열로 고출력 특성을 갖게 됐기 때문이라고 연구팀은 설명했다.정훈기 KIST 박사는 “이번 기술을 전기차에 활용하면 주행거리가 지금보다 2배 이상 늘어날 것”이라며 “이번 연구는 저렴한 재료와 손쉬운 공정으로 우수한 배터리 성능을 만들어 냄으로써 대량생산과 상용화 가능성을 높였다는데 의미가 크다”라고 말했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr