전체기사

2025.08.21 (목)

  • 구름많음동두천 29.3℃
  • 맑음강릉 33.1℃
  • 구름많음서울 29.7℃
  • 구름조금대전 30.6℃
  • 구름조금대구 30.8℃
  • 맑음울산 31.3℃
  • 구름조금광주 30.5℃
  • 맑음부산 31.2℃
  • 맑음고창 31.0℃
  • 맑음제주 31.5℃
  • 구름많음강화 28.8℃
  • 구름조금보은 27.9℃
  • 맑음금산 29.4℃
  • 구름조금강진군 30.8℃
  • 맑음경주시 31.7℃
  • 구름조금거제 30.6℃
기상청 제공

지역네트워크

UNIST 조재필 특훈교수, 신개념 ‘실리콘 카바이드계’ 음극재 양산 합성 기술 개발

URL복사

 

[시사뉴스 정은주 기자] 전기차의 주행거리를 대폭 늘릴 수 있게 됐다. 고용량 음극 소재 상용화의 걸림돌인 내구성 문제가 해결됐기 때문이다. 한 번 충전해 달리는 최대 거리는 탑재된 배터리 용량에 비례하는데, 이 음극 소재는 상용 흑연소재 대비 최대 3배 이상 용량이 크다. 또 수백 회의 충전·방전 이후에도 소재가 손상되는 않는 등 내구성이 뛰어나다. 이번 연구 결과는 에너지 분야의 세계적인 학술지인 네이처 에너지(Nature Energy)에 12월 13일자(런던시간 오후 4시)로 공개됐다.

 

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 조재필 특훈교수팀은 고용량 음극 소재인 실리콘계열 소재의 내구성을 획기적으로 개선하는 합성기술을 개발했다. 이 기술로 합성된 음극소재는 실리콘 입자 크기가 작고, 이를 둘러싼 실리콘카바이드가 실리콘을 보호하는 역할을 해 내구성이 뛰어나다. 

 

실리콘은 리튬이온배터리에 널리 쓰이는 흑연소재 보다 이론적 용량이 10배나 크다. 문제는 내구성이다. 충·방전 때마다 실리콘 부피가 수배 이상(360%) 부풀어 오르는 것이다. 팽창과 수축을 반복하면서 구조적 손상이 발생하기 쉽다. 또 팽창 때 발생하는 가스에 의한 폭발위험도 있어, 현재 흑연에 섞어 쓸 수 있는 실리콘계 소재의 한계 함량은 5%(400mAh/g급) 정도로 알려져 있다. 

 

급격한 부피 변화를 막기 위해서는 실리콘 음극재 입자를 최대한 작게 만들어야하는데, 덩어리 실리콘을 잘게 부수는 등의 방식 등으로는 한계가 있다. 

 

조 교수팀의 합성법은 입자 크기를 1나노미터 이하(10억분의 1미터)로 줄일 수 있다. 

 

비결은 기상증착과정 중 핵 성장 억제다. 음극재를 이루는 입자들은 씨앗 단계인 핵부터 핵에 원자들이 달라붙어 점점 커지는 성장 과정을 거쳐 하나의 입자(결정)로 완성된다. 이 때문에 핵은 많이 만들되, 핵 성장은 억제하면 입자를 작게 만들 수 있다. 

 

공동 교신저자인 에너지화학공학과 곽상규 교수팀은 양자역학계산을 통해 이러한 핵 성장 억제 효과를 이론적으로 입증했다.  
 

실리콘 입자를 둘러싼 실리콘카바이드는 내구성뿐만 아니라 배터리 용량도 높인다. 실리콘이 배터리 전해액과 반응하는 것을 막기 때문이다. 음극재가 전해액과 반응하면 배터리 용량이 준다. 기존에는 이를 막기 위해서 보호구조체로 감싸는 별도의 공정이 필요했다. 
 

합성된 음극재의 부피 팽창률을 측정했을 때 상용 흑연 소재와 유사한 15% 내외에 불과했다. 상용 흑연 소재는 충전 시 13% 정도 팽창한다. 또 상용 수준의 각형 셀(cell) 평가에서도 2,800회 충·방전을 반복한 후에도 초기 용량의 91%를 유지했다. 이제껏 실리콘계 음극 소재를 적용한 배터리 셀에서 500회 이상 충·방전 수명을 갖는 유의미한 실험결과가 보고된 전례가 없었다. 
 

이러한 우수한 특성을 갖는 음극 소재는 전기자동차(EVs)뿐만 아니라 고용량 에너지 저장 시스템 (ESS)에도 적용이 가능할 전망이다.
 

이번 연구의 공동 1저자인 성재경 박사는 “실리콘 입자(결정) 성장 과정에 대한 심도 있는 이해를 바탕으로 실리콘 음극재의 고질적인 문제들을 효과적으로 해결 할 수 있는 새로운 합성법을 개발할 수 있었다”라고 설명했다. 
 

또 연구진이 개발한 방식은 흑연위에다 바로 실리콘카바이드 합성이 가능해 흑연과 실리콘카바이드 섞는 별도 공정이 필요 없다. 일반적으로 실리콘계 소재는 단독으로 쓰지 않고 전지설계 등을 고려해 흑연과 섞어 쓴다. 실리콘카이바드(SiCx) 단독 사용도 가능하다.
 

조재필 특훈교수는 “실리콘 음극재 나노 입자를 만들기 위해 습식공정이나 기계적 파쇄 공정 등이 보편적으로 쓰였지만, 이는 원가 상승 문제뿐만 아니라 성능 개선에 한계가 있다”라며 “이번에 개발된 합성 기술은 모든 공정이 건식 공정이라 대량 생산이 쉽고 생산 비용 절감 효과도 있을 것”이라고 기대했다.

저작권자 Ⓒ시사뉴스
제보가 세상을 바꿉니다.
sisa3228@hanmail.net





커버&이슈

더보기

정치

더보기

경제

더보기

사회

더보기
단국대병원, 유방암 환우 위한 ‘시원한 여름 이벤트’ 개최
[시사뉴스 이용만 기자] 단국대병원(병원장 김재일) 유방암센터는 충남지역암센터, 충남권역암생존자통합지지센터와 함께 유방암 환우들을 응원하고, 암 예방 및 조기검진의 중요성을 알리기 위한 ‘시원한 여름 이벤트’를 개최한다고 21일 밝혔다. 이번 행사는 유방암 환자뿐만 아니라 병원을 찾는 내원객 누구나 자유롭게 참여할 수 있는 체험형 캠페인으로, ‘함께 응원하고, 함께 알아가는’ 다양한 프로그램을 통해 환우들에게 따뜻한 위로와 건강 정보를 함께 전달하고자 기획됐다. 캠페인 현장에는 유방암 환우와 가족을 위한 ‘응원나무’가 설치되어 참가자들이 응원 메시지를 직접 작성해 부착할 수 있도록 했다. 짧은 글귀 하나하나에 담긴 진심어린 응원의 마음은 많은 이들에게 깊은 감동을 전했다. 또한 충남권역암생존자통합지지센터의 카카오톡 채널을 추가하고 퀴즈에 참여하는 이벤트도 함께 진행됐으며, 정답자에게는 손선풍기, 손톱깎이, 파우치 등 실용적인 기념품이 제공돼 즐거움을 더했다. 특히 유방외과 의료진이 자발적으로 준비한 다양한 선물도 전달되어, 환우들에게 더욱 따뜻하고 의미 있는 경험을 선사했다. 이와 함께 유방암센터에서는 암생존자 프로그램에 대한 안내 및 신규 암생존자 모집,

문화

더보기
경주 주요 명소에서 펼쳐지는 다채로운 전통공연 ‘서라벌 풍류’
[시사뉴스 정춘옥 기자] 전통공연예술진흥재단(이사장 배영호)은 ‘2025년 APEC 정상회의’의 성공적 개최를 기원하고, 경주를 찾는 내외국인 관광객에게 한국의 전통공연예술을 알리기 위한 기념공연 ‘서라벌 풍류’를 8월 23일부터 10월 29일까지 경주 주요 명소에서 개최한다. 이번 공연은 K-컬처의 근간인 순수 전통예술부터 현대적 감각을 담은 창작국악, 그리고 지역 대표 예술단체의 국악관현악, 무용, 연희에 이르기까지 다채로운 장르로 구성된다. 전국을 대표하는 유수의 예술단체와 공모를 통해 선정된 실력 있는 예술단체가 참여해 풍성하고 수준 높은 공연이 펼쳐질 예정이다. 경주 육부촌(현, 경상북도문화관광공사), 교촌마을, 첨성대 등 경주의 주요 명소에서 관람객들에게 역사와 예술이 어우러진 특별한 경험을 선사할 것으로 기대된다. ‘서라벌 풍류’의 첫 무대는 8월 23일부터 경상북도 산업유산으로 지정된 유서 깊은 장소 ‘육부촌’에서 펼쳐진다. 1979년 PATA(아시아태평양관광협회) 총회를 위해 건립된 대한민국 최초의 컨벤션 센터인 ‘육부촌’은 45년간 민간에 공개되지 않아 당시의 원형을 유지하고 있어 관람객들은 경주의 근대 역사와 함께 특별한 전통공연을 감상할

오피니언

더보기