중국 닝보대학교 첸왕 교수팀이 전고체 리튬 배터리의 상용화를 앞당길 획기적인 양극 소재 기술을 발표했다고 카뉴스차이나가 보도했다. 닝보 공과대학교 등과의 협력 연구를 통해 개발된 이 기술은 기존 실리콘 양극의 고질적 문제였던 부피 팽창을 생체 모사 기술로 해결해 학계와 산업계의 이목을 집중시키고 있다고 이 매체는 전했다.

실리콘은 기존 흑연 양극보다 이론상 10배 높은 에너지 저장 용량을 갖췄지만, 충·방전 시 부피가 3배(300%) 이상 부풀어 오르며 배터리 구조를 파괴하는 치명적인 단점이 있었다. 첸 교수팀은 이를 해결하기 위해 실리콘 가루를 뭉쳐 만들던 기존 방식에서 탈피해, 실리콘 나노와이어가 전류 수집기 위에 숲속의 나무들처럼 수직으로 서 있는 3차원 기둥 구조를 설계했다.

이른바 호흡성 구조로 불리는 이 설계는 나노와이어 사이사이에 충분한 빈 공간을 확보해, 실리콘이 팽창할 때 주변 전해질에 충격을 주지 않고 예약된 공간 안에서 자유롭게 ‘숨을 쉬듯’ 늘어났다 줄어들 수 있게 한다.

연구팀은 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD) 기술을 2단계로 적용해 독특한 코어-셸 구조를 만들어냈다. 이 구조는 이온 전도성과 기계적 무결성을 동시에 확보해, 배터리가 반복적인 사이클을 거쳐도 성능이 급격히 저하되지 않도록 지지해 준다.

특히 이번 연구를 통해 개발된 배터리는 가위로 자르거나 심하게 구부리는 극한의 상황에서도 전력을 안정적으로 공급하는 놀라운 기계적 견고함과 안전성을 증명했다. 이는 화재 위험이 없는 전고체 배터리의 장점에 실리콘의 고용량까지 더해진 꿈의 배터리에 한 걸음 더 다가선 결과로 평가받는다.

이번 연구 결과는 국제 에너지 재료 학술지인 에너지 스토리지 머티리얼즈 최신호에 게재됐다고 밝혔다. 연구팀은 이번 발견이 차세대 고에너지 장수명 전고체 배터리 개발을 위한 실질적인 기술 경로를 제시했다고 강조했다.

실리콘 양극의 부풀어 오름 문제는 자동차 업계에서도 전고체 배터리 상용화의 가장 큰 걸림돌이었는데, 이를 나무를 심듯 서 있는 나노와이어로 해결했다는 점이 특징이다. 소재의 특성을 억누르는 게 아니라 숨 쉴 공간을 주는 방식으로 접근했다는 점에서 시사하는 바가 크다.

이러한 나노와이어 공정 기술이 양산 단계에서도 경제성을 확보할 수 있을까? 만약 상용화된다면 테슬라의 4680 배터리나 삼성SDI의 전고체 로드맵에 어떤 변수가 될지 궁금하다.


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