순천향대학교(총장 송병국)는 에너지공학과 안욱 교수 연구팀이 고용량과 장수명을 동시에 구현할 수 있는 리튬이온전지용 실리콘-그래핀 복합 음극 소재를 개발했다고 27일 밝혔다.

이번 연구는 한국생산기술연구원 임성남 책임연구원, 국립부경대학교 전윤석 교수 연구팀과 공동으로 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 ‘Composites Part B-Engineering’ 2026년 3월호에 게재됐다.

리튬이온전지 음극 소재로 사용되는 흑연은 안정성이 높은 대신 에너지 저장 용량이 제한적이다. 반면 실리콘은 높은 이론용량을 갖지만, 충·방전 과정에서 부피가 크게 팽창하고 전해질 계면이 불안정해 수명이 저하되는 문제가 있다.

연구팀은 태양광 폐기물에서 회수한 실리콘 나노입자를 환원 그래핀 산화물 나노리본(rGONRs) 내부에 균일하게 분산시키는 동결건조 공정을 적용해 다공성 3차원 구조를 구현했다. 이를 통해 실리콘의 부피 팽창을 완화하고 전기전도성과 이온 이동성을 동시에 개선했다.

또 예비리튬화(prelithiation) 기술을 적용해 초기 쿨롱 효율을 기존 58.9% 수준에서 100% 이상으로 개선하고, 안정적인 전해질 계면 형성을 유도해 수명 특성을 높였다.

성능 평가 결과 해당 복합 음극은 200 mA/g 조건에서 1600 mAh/g의 가역용량을 나타냈으며, 고속 충·방전 환경에서도 용량 유지 특성을 보였다. 반복 충·방전 이후에도 높은 용량 유지율을 기록했고, 전극 두께 팽창률도 기존 실리콘 음극 대비 낮아 구조적 안정성이 향상된 것으로 나타났다.

안욱 교수는 “실리콘 음극은 높은 용량에도 불구하고 부피 팽창과 초기 효율 문제로 상용화에 제약이 있었다”며 “이번 기술은 전기차와 에너지저장장치용 고성능 배터리 개발에 활용될 수 있다”고 말했다.