세종대 양현우·김선재 교수팀, 고속 충전·장수명 구현한 '프리스탠딩 실리콘 음극' 기술 개발

- 프리스탠딩 구조 구현…전기차·ESS 적용 가능성 제시

- 탄소나노섬유(CNF) 활용해 집전체·바인더 없이도 높은 성능 구현
- 2,000회 충·방전에도 용량 79.8% 유지…실제 배터리 환경서도 안정성 입증

- 저명 국제학술지 '어드밴스드 파이버 머티리얼스(IF 21.3)' 6일 자 온라인 게재

[비욘드포스트 이봉진 기자] 세종대학교(총장 엄종화) 나노신소재공학과 양현우 교수와 김선재 교수 연구팀이 고속 충전과 장수명 구동이 가능한 차세대 리튬이온전지용 ‘프리스탠딩(freestanding) 실리콘 음극’ 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.

실리콘은 기존 음극재를 대체해 리튬이온전지의 용량을 획기적으로 높일 수 있어 차세대 배터리 핵심 소재로 각광받고 있다. 하지만 충전 및 방전을 반복하는 과정에서 부피 변화가 크게 발생해 전극이 쉽게 파손되며, 이로 인해 배터리의 수명과 급속충전 성능이 저하된다는 치명적인 한계가 존재했다.
이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 탄소나노섬유(CNF)를 담지체로 활용한 새로운 프리스탠딩 실리콘 음극을 개발했다. 특히 각 CNF 섬유 표면에서 가수분해 및 축합 반응이 원활하게 일어나도록 유도하여, 실리콘이 섬유 표면을 따라 균일하게 형성되도록 설계했다.

이번 연구 성과는 집전체나 바인더, 도전재와 같은 부가적인 소재 없이도 높은 성능을 구현할 수 있는 독자적인 실리콘계 음극 구조를 제시했다는 점에서 학계의 큰 주목을 받고 있다.

새로운 구조를 통해 전극의 구조적 안정성과 전기적 연결성을 동시에 끌어올렸으며, 잦은 충·방전 과정에서도 성능을 안정적으로 유지할 수 있는 기반을 마련했다.
실제 성능 평가 결과, 개발된 전극은 초기 용량 727mAh/g을 달성했으며, 가혹한 고속 충·방전 조건에서도 2,000회를 구동한 후 79.8%라는 우수한 용량 유지율을 기록했다. 나아가 실제 배터리 구동 환경을 모사한 풀셀(Full-cell) 평가에서도 뛰어난 안정성을 입증해 냈다.

이는 해당 기술이 단순한 실험실 수준의 성과를 넘어, 향후 전기차(EV)와 에너지저장장치(ESS) 등 차세대 고성능 배터리가 필수적인 산업 분야에 널리 적용될 가능성을 보여준다.

양현우 교수는 “이번 연구의 핵심적인 차별점은 CNF를 단순한 지지체가 아니라 전극의 구조를 튼튼하게 지탱하고 전기적 연결성을 유지하는 핵심 골격으로 활용한 데 있다”며, “각 섬유 표면에 실리콘을 균일하게 코팅해 프리스탠딩 전극의 안정성과 성능을 동시에 확보했다는 점에서 의미가 크다”고 설명했다.

김선재 교수 역시 “실리콘 음극은 높은 용량에도 불구하고 반복적인 충·방전 과정에서 구조가 쉽게 손상되는 한계가 있었으나, 이번 연구가 이를 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 설계 방향을 제시했다”고 강조하며, “고속 충전과 장수명이 동시에 요구되는 차세대 리튬이온전지 분야에서 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구 성과는 임팩트 팩터(IF) 21.3을 기록하며 JCR 재료과학(섬유 분야) 상위 1.6%에 해당하는 세계적 권위의 국제학술지 ‘어드밴스드 파이버 머티리얼스(Advanced Fiber Materials)’에 지난 4월 6일 자로 온라인 게재됐다.

논문명은 “CNF-Supported Si Freestanding Anode with a Conformal Granular Si/SiOx Interphase for High-Rate, Long-Life Li-Ion Batteries”이다.

이번 연구는 교육부 기초과학연구역량강화사업의 핵심연구지원센터사업(센터장 김선재)과 한국연구재단 이공분야 대학중점연구소지원사업(연구소장 송형규)의 지원을 받아 수행됐다.

bjlee@beyondpost.co.kr