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[IT뉴스]충·방전 반복해도 끄떡없다…차세대 배터리 소재 실리콘 음극 수명 2배

온카뱅크관리자

2026-06-17 11:37:29

<div id="layerTranslateNotice" style="display:none;"></div> 한국생산기술연구원 
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 <img alt="생기원 임진섭 수석연구원(왼쪽부터), 류보은 학생연구원, 김민영 수석연구원, 윤창훈 전남대 교수, 정영훈 생기원 학생연구원. 생기원 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202606/17/dongascience/20260617113137329xepj.png" data-org-width="643" dmcf-mid="Vibk0nnQL4" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img4.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202606/17/dongascience/20260617113137329xepj.png" width="658">
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 생기원 임진섭 수석연구원(왼쪽부터), 류보은 학생연구원, 김민영 수석연구원, 윤창훈 전남대 교수, 정영훈 생기원 학생연구원. 생기원 제공
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 충·방전을 반복할수록 쉽게 손상되는 차세대 배터리 음극 소재 실리콘의 안정성을 높이는 기술이 개발됐다. 기존 실리콘 음극 대비 용량 유지율이 2배 이상 높아져 전기차·스마트폰 배터리 성능 향상에 기여할 것으로 기대된다. 
 한국생산기술연구원(생기원)은 임진섭 에너지나노그룹 수석연구원팀이 전남대 윤창훈 교수팀과 함께 실리콘 음극의 구조 손상을 줄이는 3차원 전도성 골격 기술을 개발했다고 17일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’에 지난 4월 22일 발표했다. 
 리튬이온전지는 충전 시 리튬이온을 음극에 저장하고 방전 시 양극으로 이동시키며 전기를 공급한다. 현재 음극 소재로 널리 쓰이는 흑연은 장기 사용에도 안정적이지만 리튬 저장 용량이 낮다. 실리콘은 흑연보다 훨씬 많은 리튬을 저장할 수 있어 차세대 음극 소재로 주목받는다. 
 다만 충·방전 과정에서 부피가 크게 팽창·수축하면서 음극 구조가 손상되고 배터리 용량이 빠르게 줄어드는 문제가 있다. 
 연구팀은 실리콘 음극의 부피 팽창·수축 문제를 해결하기 위해 셀룰로오스-탄소나노튜브 복합체(C-CNT)를 마이크로 실리콘 입자와 결합해 음극층을 제작했다. C-CNT는 식물 섬유인 셀룰로오스와 전기 전도성이 높은 탄소나노튜브를 결합한 소재로, 음극층 안에서 서로 얽히며 3차원 지지 구조물을 형성한다. 구조물은 실리콘 입자를 촘촘히 감싸 기계적으로 지지하는 동시에 전자 이동 통로 역할을 수행한다. 
 연구팀은 여기에 파장 1070나노미터(nm, 10억분의 1m) 적외선 레이저를 쏘아 C-CNT와 실리콘 표면 간 화학적 결합을 유도했다. 레이저 열로 실리콘 입자 표면이 순간 가열되면 탄소나노튜브와 셀룰로오스가 실리콘 표면과 화학적 결합을 형성하고 셀룰로오스는 전도성이 높은 흑연 구조로 전환되며 실리콘 표면에는 탄화규소(SiC) 보호막이 생성된다. 
 충·방전 중 실리콘이 팽창·수축하더라도 탄소 지지 구조물이 구조적 완충재 역할을 하며 음극의 기계적 안정성을 유지한다. 
 전기화학 특성 평가 결과, 개발된 음극은 저속 충·방전 조건인 약 10시간 기준에서 흑연 음극보다 약 7배, 고속 조건인 약 30분 기준에서 약 20배 높은 초기 용량을 기록했다. 100회 충·방전 후 용량 유지율은 71%로 레이저 처리를 하지 않은 실리콘 음극 34%보다 2배 이상 높았다. 
 임진섭 수석연구원은 "실리콘 음극의 저장 용량을 높이는 동시에 반복 사용 중 구조가 손상되는 문제를 줄였다는 데 의미가 있다"며 "실제 전극 제조 조건과 셀 적용 가능성을 단계적으로 검증할 계획"이라고 말했다. 
 윤창훈 전남대 교수는 "온실가스 농도 측정 센서 개발 과정에서 출발한 C-CNT 기술이 생기원의 배터리 소재·공정 연구 역량과 결합되며 의미 있는 성과로 이어졌다"고 밝혔다. 
 &lt;참고자료&gt; doi.org/10.1002/adfm.202525595
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 생기원 제공
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 [조가현 기자 gahyun@donga.com]
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