1회 충전으로 1,000km를 달리는 전기차, 젤이 가능하다

AI와 헬스케어 분야의 미래적 발전은 CES(Consumer Electronics Show) 2024에서 화려한 기술로 주목을 받았습니다. 그러나 배터리 기술은 이러한 혁신의 중심에 있는 게임 체인저로서 더 큰 전력 효율성을 가능하게 합니다. 중요한 것은 전기 자동차가 이 기술이 가장 집중적으로 적용되는 곳이라는 점입니다. 오늘날의 EV는 1회 충전으로 약 700km를 주행할 수 있으며, 연구자들은 배터리 주행 거리가 1,000km를 목표로 하고 있습니다. 연구자들은 저장 용량이 높은 것으로 알려진 실리콘을 EV용 리튬이온 배터리의 음극 소재로 활용하는 방법을 열심히 연구하고 있습니다. 그러나 그 잠재력에도 불구하고 실리콘을 실용화하는 것은 연구자들이 여전히 퍼즐을 맞추기 위해 열심히 노력하고 있는 문제로 남아 있습니다.

포항공과대학교(POSTECH) 화학과 박수진 교수, 제민준 박사과정생, 손혜빈 박사가 등장합니다. 그들은 마이크로 실리콘 입자와 젤 폴리머 전해질을 사용하여 주머니에 친숙하고 견고한 차세대 고에너지 밀도 리튬 이온 배터리 시스템을 개발하여 코드를 해독했습니다. 이 작품은 온라인 페이지에 게재되었습니다. 첨단과학 17일에^일 1월의.

실리콘을 배터리 소재로 사용하면 문제가 발생합니다. 충전 중에는 3배 이상 팽창했다가 방전 중에는 원래 크기로 다시 수축되어 배터리 효율에 큰 영향을 미칩니다. 나노크기의 실리콘을 활용한 (10^-9m) 문제를 부분적으로 해결하지만 정교한 생산 과정이 복잡하고 천문학적으로 비용이 많이 들기 때문에 예산 제안이 까다롭습니다. 이에 비해 초소형 실리콘(10^-6m) 비용과 에너지 밀도 측면에서 매우 실용적입니다. 그러나 더 큰 실리콘 입자의 팽창 문제는 배터리 작동 중에 더욱 두드러져 양극 재료로 사용하는 데 한계가 있습니다.

연구팀은 젤 폴리머 전해질을 적용해 경제적이고 안정적인 실리콘 기반 배터리 시스템을 개발했다. 리튬이온 배터리의 전해질은 양극과 음극 사이의 이온 이동을 촉진하는 중요한 구성 요소입니다. 기존의 액체 전해질과 달리 겔 전해질은 고체 또는 겔 상태로 존재하며, 액체 전해질보다 안정성이 우수한 탄성 폴리머 구조를 특징으로 합니다.

연구팀은 마이크로 실리콘 입자와 겔 전해질 사이의 공유 결합을 형성하기 위해 전자빔을 사용했습니다. 이러한 공유결합은 리튬이온 배터리 작동 시 부피 팽창으로 인한 내부 응력을 분산시켜 마이크로 실리콘 부피 변화를 완화하고 구조적 안정성을 높이는 역할을 합니다.

그 결과는 놀라웠습니다. 배터리는 기존 나노실리콘 양극에 사용된 것보다 100배 더 큰 마이크로 실리콘 입자(5μm)에서도 안정적인 성능을 나타냈습니다. 또한, 연구팀이 개발한 실리콘-겔 전해질 시스템은 액체 전해질을 사용하는 기존 배터리와 유사한 이온 전도성을 보여 에너지 밀도가 약 40% 향상됐다. 더욱이 팀의 시스템은 즉시 적용할 수 있는 간단한 제조 프로세스로 인해 상당한 가치를 지니고 있습니다.

박수진 교수는 “마이크로실리콘 양극을 사용하면서도 안정적인 배터리를 갖게 됐다”며 “이번 연구를 통해 실제 고에너지밀도 리튬이온 배터리 시스템에 한발 더 다가섰다”고 강조했다.

본 연구는 한국연구재단 독립연구자사업의 지원을 받아 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/02/240207120459.htm