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[IT뉴스]전기차 1회 충전 1000km시대 성큼…실리콘 음극재 난제 풀었다

온카뱅크관리자

2026-06-01 10:37:30

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 포스텍·서울대·LG에너지솔루션 
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 <img alt="고에너지·급속충전 전기차 배터리 구현 실리콘 음극재 모식도. 포스텍 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202606/01/dongascience/20260601102954807cqdu.png" data-org-width="680" dmcf-mid="2pzEw6d8eQ" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202606/01/dongascience/20260601102954807cqdu.png" width="658">
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 고에너지·급속충전 전기차 배터리 구현 실리콘 음극재 모식도. 포스텍 제공
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 전기차 배터리의 '꿈의 소재' 실리콘은 충·방전 때마다 부풀고 쪼개지는 치명적 약점이 있다. 국내 연구팀이 나노 결정 정밀 설계로 이 난제를 돌파했다. 1회 충전으로 1000km를 달리는 전기차에 한 걸음 더 가까워졌다. 
 포스텍은 박수진 화학과 교수·제민준 박사 연구팀이 최장욱 서울대 화학생물공학부 교수팀, LG에너지솔루션과 공동으로 이차전지 충·방전을 반복해도 부서지지 않는 고강도 실리콘 음극재 개발에 성공했다고 1일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’에 4월 24일 게재됐다.
 전기차 경쟁력은 배터리가 좌우한다. 한 번 충전으로 얼마나 멀리 갈 수 있는지, 얼마나 빨리 충전할 수 있는지가 핵심이다. 현재 전기차 배터리 음극재로 가장 널리 쓰이는 흑연은 에너지 저장량이 이론적 한계에 도달했다. 대안으로 주목받는 소재가 실리콘이다.
 실리콘은 흑연보다 최대 10배 많은 에너지를 저장할 수 있어 '꿈의 소재'로 불린다. 하지만 충·방전을 반복하면 부피가 최대 300%까지 팽창·수축한다. 풍선을 반복해서 불면 결국 터지듯 실리콘 입자도 갈라지거나 부서진다. 배터리 성능 저하와 수명 단축으로 이어지는 이 문제가 실리콘 음극재 상용화의 가장 큰 걸림돌이다.
 기존 연구가 소재를 단순히 '단단하게' 만드는 데 집중했다면 연구팀은 반복적인 부피 변화를 견디는 '강도’ 에 주목했다. 쉽게 금 가는 유리가 아니라 구부러져도 원래 형태로 돌아오는 금속과 같은 특성이 필요했다.
 연구팀은 실리콘 산화물 내부에 32나노미터(nm, 1nm는 10억분의 1m) 크기의 불화리튬(LiF) 결정을 정밀하게 배치했다. 결정이 작아질수록 강해지지만 지나치게 작아지면 오히려 약해지는 '홀-페치(Hall–Petch) 법칙'과 '역 홀-페치 효과'를 적용한 설계다. 여기에 이온은 원활하게 통과시키고 전자는 빠르게 이동시키는 특수 코팅층을 입자 표면에 추가해 급속충전 성능도 확보했다.
 실험 결과 개발 소재의 충·방전 시 부피 변화율은 18.9%에 그쳤다. 기존 실리콘의 300% 팽창과 비교하면 사실상 끄떡없는 수준이다. 실제 전지 평가에서는 10~80% 충전 기준 20분 급속충전 조건으로 1000회 이상 안정적으로 구동됐다. 
 1.26암페어시(Ah, 배터리 용량 단위)급 파우치형 배터리에서도 500회 이상 정상 작동을 확인했다. 에너지 밀도는 1kg당 402와트시(Wh, 배터리 에너지 저장량 단위), 1L당 1125와트시로 현재 시판 전기차 배터리보다 훨씬 높은 수준이다. 
 연구팀은 이 기술을 실제 전기차에 적용하면 1회 충전으로 약 1000km 주행이 가능한 전기차 개발에 기여할 수 있다고 설명했다. 충전 인프라가 부족한 지역이나 장거리 운전자들이 느끼는 '주행거리 불안'을 해소할 수 있는 기술적 토대가 마련된 셈이다.
 박수진 포스텍 교수는 "실리콘 음극재의 파손 문제를 강도와 영률(소재의 뻣뻣한 정도를 나타내는 지표)을 동시에 높이는 방식으로 해결했다"며 "고에너지 밀도와 급속충전을 모두 충족하는 차세대 배터리 상용화를 앞당기는 계기가 될 것"이라고 말했다. 
 최장욱 서울대 교수는 "나노미터 수준에서 결정 크기를 정밀하게 제어해 성능을 극대화한 것이 핵심"이라고 연구 의의를 밝혔다.
 &lt;참고자료&gt; doi.org/10.1038/s41467-026-72434-4
 [조가현 기자 gahyun@donga.com]
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