세종대학교 나노신소재공학과 연구팀이 고속 충전과 장수명 구동이 가능한 차세대 리튬이온전지용 실리콘 음극 기술을 개발했다.

세종대는 양현우 교수와 김선재 교수 연구팀이 집전체와 바인더, 도전재 없이도 높은 성능을 구현하는 ‘프리스탠딩(freestanding) 실리콘 음극’을 개발했다고 밝혔다.

실리콘은 기존 흑연 음극 대비 높은 용량을 구현할 수 있어 차세대 소재로 주목받지만, 충·방전 과정에서 부피 변화가 커 전극이 쉽게 손상되는 한계가 있었다. 이로 인해 수명과 급속충전 성능이 저하되는 문제가 지속적으로 제기돼 왔다.

연구팀은 탄소나노섬유(CNF)를 골격 구조로 활용해 실리콘을 균일하게 형성하는 방식으로 문제를 해결했다. CNF 표면에서 가수분해·축합 반응을 유도해 실리콘이 섬유를 따라 고르게 분포하도록 설계함으로써 구조적 안정성과 전기적 연결성을 동시에 확보했다.

개발된 전극은 초기 727mAh/g의 용량을 구현했고, 고속 충·방전 조건에서도 2000회 이후 79.8%의 용량 유지율을 기록했다. 실제 배터리 구동 환경을 반영한 풀셀 평가에서도 안정적인 성능을 확인했다.

양현우씨는 “CNF를 단순 지지체가 아닌 전극 구조의 핵심 골격으로 활용해 성능과 안정성을 동시에 확보했다”고 말했다. 김선재씨는 “실리콘 음극의 구조적 한계를 개선할 수 있는 설계 방향을 제시했다”며 “전기차와 에너지저장장치 등 차세대 배터리 분야에 적용 가능성이 크다”고 밝혔다.

연구 결과는 지난 4월 6일 국제학술지 ‘어드밴스드 파이버 머티리얼즈(Advanced Fiber Materials)’에 게재됐다. 이번 연구는 교육부 기초과학연구역량강화사업과 한국연구재단 대학중점연구소지원사업의 지원을 받아 수행됐다.