"전기차 20분 충전 1000㎞ 주행" 실리콘 배터리 신소재 개발

포스텍·서울대·LG에너지솔루션 등 공동 연구

충·방전에도 깨지지 않는 '고강도 배터리 소재'

[포항=뉴시스] = 포스텍 화학과 박수진 교수·제민준 박사 연구팀이 서울대 화학생물공학부 최장욱 교수, LG에너지솔루션과 함께 이차전지 충방전을 반복해도 쉽게 부서지지 않는 '고강도 실리콘 소재' 개발에 성공했다. 사진 왼쪽부터 포스텍 박 교수, 제 박사, 서울대 최 교수. (사진=포스텍 제공) 2026.06.01. [email protected]

[포항=뉴시스]송종욱 기자 = 20분 만에 단 한 번 충전으로 서울~부산 간 왕복할 수 있는 전기차 배터리 신소재를 국내 연구진이 개발했다.

포스텍은 화학과 박수진 교수·제민준 박사 연구팀은 서울대 화학생물공학부 최장욱 교수팀, LG에너지솔루션과 함께 이차전지 충·방전을 반복해도 쉽게 부서지지 않는 '고강도 실리콘 소재' 개발에 성공했다고 1일 밝혔다.

이 연구는 '네이처 커뮤니케이션즈' 온라인 판에 최근 실렸다.

현재까지 전기차 배터리 음극재로 가장 많이 쓰인 소재는 '흑연'이지만, 흑연은 저장할 수 있는 에너지의 양이 이미 이론적 한계에 다다랐다. 이에 따라 주목 받기 시작한 것이 바로 실리콘이다.

실리콘은 흑연에 비해 최대 10배 많은 에너지를 저장해 '꿈의 소재'로 불린다. 문제는 실리콘이 충방전을 반복하는 과정에서 부피가 무려 300%까지 부풀었다, 줄어든다는 점이다. 풍선을 반복해서 불면 결국 터지는 것처럼, 실리콘 입자도 갈라지거나 깨져 배터리 성능이 빠르게 떨어지고 수명이 짧아지는 것이다.

애초의 연구는 소재를 그냥 '단단하게' 만드는 데 집중했다면, 연구팀은 반복적인 부피 변화를 버텨내는 '강도'에 주목했다. 단단하면서 쉽게 금 가지 않는 구조, 즉 깨지지 않는 유리가 아니라 구부러져도 돌아오는 금속 같은 특성이 필요했다.

[포항=뉴시스] = 포스텍 화학과 박수진 교수·제민준 박사 연구팀이 서울대 화학생물공학부 최장욱 교수, LG에너지솔루션과 함께 이차전지 충방전을 반복해도 쉽게 부서지지 않는 '고강도 실리콘 소재' 개발에 성공했다. 사진은 결정상 불화 리튬을 강도 최대점(~32nm)으로 정밀 제어해 입자 내부에 삽입하고, 이온·전자 이중 전도성 코팅층을 표면에 형성한 실리콘 기반 소재의 모식도 및 결정상 크기에 따른 불화 리튬의 강도 변화 그래프. (사진=포스텍 제공) 2026.06.01. [email protected]

연구팀은 실리콘 산화물에 32nm(나노미터) 크기 불화 리튬(LiF) 결정을 정밀하게 배치했다. 이는 결정 크기가 작아질수록 강해지지만, 또 지나치게 작아지면 오히려 약해지는 '홀-페치(Hall–Petch) 법칙'과 '역 홀-페치 효과'를 응용한 것. 연구팀은 여기에 이온은 잘 통과시키고, 전자는 빠르게 이동 시키는 특수 코팅 층을 입자 표면에 더해 급속 충전 성능까지 함께 잡았다.

실험 결과, 연구팀이 개발한 소재는 충방전 과정에서 부피 변화가 18.9% 수준에 머물렀다. 애초 실리콘의 300% 팽창과 비교하면 사실상 '끄떡없는' 수준이다. 실제 전지 평가에서 20분 급속 충전으로 1000회 이상 안정적으로 작동했다. 1.26Ah(암페어시)급 파우치형 배터리도 500회 이상 정상 구동을 확인했다.

에너지 밀도는 1㎏당 402Wh(와트시), 부피 기준으로는 1ℓ당 1125Wh를 기록했다. 현재 시판 중인 전기차보다 훨씬 긴 주행 거리를 낼 수 있는 수준이다.

[포항=뉴시스] = 포스텍 화학과 박수진 교수·제민준 박사 연구팀이 서울대 화학생물공학부 최장욱 교수, LG에너지솔루션과 함께 이차전지 충방전을 반복해도 쉽게 부서지지 않는 '고강도 실리콘 소재' 개발에 성공했다. 사진은 깨지는 않는 실리콘 음극재로 고에너지·급속 충전 전기차 배터리 구현 모식도. (사진=포스텍 제공) 2026.06.01. [email protected]

이 기술이 실제 전기차에 적용될 경우, 한 번 충전으로 약 1000㎞ 주행이 가능한 전기차 개발에도 이바지할 수 있다는 것이 연구팀의 설명이다.
 
박수진 교수는 "실리콘 음극재가 부서지는 문제를 '강도'와 '영률'을 동시에 높이는 방식으로 해결했다"며 "고에너지 밀도와 급속 충전을 만족하는 차세대 배터리 상용화를 앞당기는 계기가 될 것"이라고 말했다.
 
한편 이 연구는 과학기술정보통신부, 서울대 공학연구원·이차전지혁신연구소·신소재공동연구소, LG에너지솔루션 오픈액세스 출판 비용 지원을 받았다.


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