‘전분 배터리’로 전기차 주행거리 2배 늘린다

물, 기름, 전분 같은 튀김요리 재료와 실리콘 섞어 튀겨 배터리 음극 개발

한양대 에너지공학과와 전남대 신소재공학부, 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 공동연구팀이 물과 기름, 전분가루같이 일상에서 구할 수 있는 값싼 재료를 활용해 기존 배터리에 사용되는 흑연계 음극 소재보다 전지 용량이 4배 이상 크고, 5분 만에 80% 이상 급속충전도 가능한 실리콘 기반 음극소재를 개발했다고 지난 21일 밝혔다. 이를 전기차에 적용하면 주행거리를 2배 이상 늘어날 것으로 보인다.

현재 상용화된 전기차 배터리는 흑연을 음극 소재로 사용하고 있지만, 적은 전지 용량으로 인해 내연기관 자동차보다 주행거리가 짧다는 단점이 있다. 이에 장거리 주행이 가능한 전기차를 개발하기 위해, 흑연보다 에너지를 10배 이상 저장할 수 있는 실리콘을 새로운 음극 소재로 주목하고 있다.

하지만 실리콘은 충전과 방전을 반복하면 부피가 급격히 팽창하고 용량이 크게 줄어든다는 단점이 있어 상용화에 어려움이 있다. 또한, 음극 소재로서의 실리콘은 안정성을 높이기 위해 여러 방법이 제시됐지만, 복잡한 공정과 높은 비용 때문에 아직까지 흑연을 대체하지 못하고 있었다.

공동 연구팀은 실리콘의 안정성을 높이기 위해 물, 기름, 전분과 같이 일상생활에서 쉽게 구할 수 있는 값싼 재료에 주목했다. 각각 물에 전분을 풀고, 기름에는 실리콘을 풀어서 섞은 뒤 가열하는 방식으로 탄소-실리콘 복합소재를 만들었다. 마치 튀김을 만들 듯 가열 공정을 통해 탄소와 실리콘 복합체를 단단하게 고정시킨 것이다. 이를 통해 충·방전 시 실리콘 음극재의 부피 팽창을 예방했다.


▲ 탄소-실리콘 복합체 합성 과정
물, 기름, 전분, 실리콘, 계면활성제로 유화액 제조로 마이셀을 형성시킨 다음, 가열과 탄화 과정을 거치면 탄소-실리콘 복합체가 형성(KIST 제공)

연구진이 개발한 복합소재는 기존 흑연계 음극 소재에 비해 4배 이상 높은 용량(360mAh/g → 1,530mAh/g)을 보였으며, 500회 이상 충·방전에도 안정적으로 용량이 유지되고 5분 이내에 80% 이상 급속으로 충전할 수 있는 특성을 보였다. 이러한 특성을 보이는 이유는 탄소 구조체가 실리콘의 부피팽창을 억제해 실리콘 소재의 안정성을 높이고, 탄소의 높은 전기전도도와 실리콘 구조의 재배열을 통해 고출력 특성도 얻었기 때문이다.

본 연구를 주도한 KIST 정훈기 박사는 “이러한 손쉬운 공정과 우수한 특성은 대량 생산과 상용화 가능성이 매우 크고, 향후 리튬이온 이차전지에 적용돼 전기자동차와 에너지저장시스템(ESS)에 활용될 것”으로 기대감을 보였다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 기후변화대응개발사업 등으로 수행됐다. 연구결과는 나노기술 분야 국제 저널인 「Nano Letters」 최신호에 게재됐다.


▲ 전분배터리를 이용한 전기차 가상도
친환경 재료인 옥수수, 고구마 등의 전분으로 기름과 섞은 실리콘을 단순 혼합, 가열해 개발한 탄소-실리콘 복합체의 음극소재로 제작한 배터리가 장착된 전기자동차가 주행하는 가상도 (KIST 제공)