↑↑ 경상국립대 성재경 교수, 김동휘 석사 연구생, S. 자야수브라마니얀(S. Jayasubramaniyan)(왼쪽부터)

[경남_대민포커스N=조인호기자]전기자동차(EV) 시장의 급성장과 함께, 더 긴 주행거리를 위한 고에너지 밀도의 리튬 이온 배터리 연구가 활발히 진행되고 있다.

이러한 흐름 속에서 경상국립대학교 공과대학 나노·신소재공학부 성재경 교수 연구팀이 실리콘 음극의 성능을 획기적으로 향상시키는 새로운 구조 설계를 개발했다.

실리콘은 이론 용량(3579mAh/g)이 매우 높아 차세대 리튬 이온 배터리 음극재로 주목받고 있다.

그러나 충·방전 과정에서 심각한 부피 팽창이 발생해 전극의 구조적 붕괴를 초래하며, 이로 인해 낮은 사이클 안정성과 높은 저항이 문제로 지적된다.

이를 해결하기 위해 실리콘 요크-쉘(Yolk-Shell, 노른자-껍질) 구조가 도입됐지만, 기존 방식은 실리콘과 쉘 사이의 전자전달이 원활하지 않고, 비활성 코팅 물질로 인해 무게당 용량이 저하되며, 빈 공간으로 인해 입자 파괴 저항성이 낮고 부피당 에너지 밀도가 감소하는 한계가 있었다.

성재경 교수 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 탄소-브릿지드(Carbon-Bridged) 다층 요크-쉘(MYS) 구조를 개발했다.

연구팀이 제안한 MYS 구조는 △실리콘 요크 △부피 팽창을 흡수하는 빈 공간 △견고한 다층 SiOx/Si/SiOx 외부 쉘 △실리콘 나노입자(SiNP)와 최외각 쉘을 연결하는 탄소 브릿지로 구성된다.

이러한 소재 설계는 기존 실리콘 요크쉘의 한계점에 대한 해결책을 제시하며, 실리콘 기반 음극재의 구조적 안정성과 전기화학적 성능을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 전략을 보여준다.

이번 연구의 핵심은 화학기상증착(Chemical vapor deposition)법을 통해 단계적으로 SiH4, C2H4, O2 가스를 주입하는 단순 단일 배치 공정을 통해 균일한 다층 요크-쉘 구조를 형성한 것이다.

본 연구에서 제안한 탄소 브릿지는 높은 전기 및 이온 전도성을 제공하며, 실리콘 입자 간의 효율적인 전자 전달 경로를 형성함과 동시에 입자 파괴저항성을 증가시킨다.

또한, 내부의 빈 공간이 실리콘의 부피 팽창을 흡수하여 구조적 붕괴를 방지하며, 다층 SiOx/Si/SiOx 쉘이 보호층 역할을 수행해 전해질과의 직접적인 반응을 최소화하고 SEI 층의 안정성을 향상시킨다.

더불어, 생성된 2차 입자는 낮은 비표면적을 유지하여 높은 초기 쿨롱 효율과 탭 밀도를 확보할 수 있도록 설계됐다.

제1저자인 김동휘 연구원은 기존 실리콘 요크쉘 구조에서 실리콘 입자와 외부 쉘 사이의 빈 공간이 부피 변화를 효과적으로 수용하지만, 전기적 접촉이 저하된다는 한계를 발견했다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 탄소 브릿지를 도입하여 빈 공간을 유지하면서도 실리콘 입자와 다층 쉘 간의 전기적 연결을 강화하고, 전자 및 이온 전도성을 향상시키는 전략을 고안했다고 했으며, 이번 연구가 기존 요크쉘 구조의 단점을 극복하고 차세대 고에너지 밀도 리튬 이온 배터리 음극재 개발에 기여하여 전기자동차의 주행거리를 대폭 향상시킬 것으로 기대된다고 밝혔다.

연구 결과는 세계적인 저명 학술지인 《에너지 머티리얼즈(Energy Materials)》(IF: 11.8)에 2025년 3월 13일 자로 발표됐다(리튬 이온 배터리의 합금 음극재를 위한 탄소 브릿지를 포함하는 다층 노른자 껍질 디자인(Multi-layered yolk-shell design containing carbon bridge connection for alloying anodes in lithium-ion batteries)).