▲세종대 나노신소재공학과 양현우 교수

세종대학교(총장 엄종화) 나노신소재공학과 양현우 교수와 김선재 교수 연구팀이 고속 충전과 장수명 구동이 가능한 차세대 리튬이온전지용 프리스탠딩(freestanding) 실리콘 음극 기술을 개발했다.

이번 성과는 지난 4월 6일 국제학술지 ‘Advanced Fiber Materials’에 온라인 게재됐다. Advanced Fiber Materials는 학술지 영향력 지표인 임팩트 팩터(IF) 21.3을 기록한 저명 국제학술지다. 또한 JCR(Journal Citation Reports) 재료과학(섬유 분야) 상위 1.6%에 해당하는 세계적 수준의 저널로 평가받고 있다. 논문 제목은 “CNF-Supported Si Freestanding Anode with a Conformal Granular Si/SiOx Interphase for High-Rate, Long-Life Li-Ion Batteries”이다.

이번 연구는 집전체, 바인더, 도전재 없이도 높은 성능을 구현할 수 있는 실리콘계 음극 구조를 제시했다는 점에서 주목된다. 실리콘은 리튬이온전지의 용량을 크게 높일 수 있는 차세대 음극 소재로 주목받고 있다. 하지만 충전과 방전을 반복하는 과정에서 부피 변화가 커 전극이 쉽게 손상되고, 이로 인해 수명과 급속충전 성능이 떨어지는 한계가 있었다.

양현우 교수와 김선재 교수 연구팀은 탄소나노섬유(CNF)를 담지체로 활용한 새로운 프리스탠딩 실리콘 음극을 개발했다. 특히 연구팀은 각 CNF 섬유 표면에서 가수분해·축합 반응이 일어나도록 설계해, 실리콘이 섬유 표면을 따라 균일하게 형성되도록 구현했다. 이를 통해 전극의 구조적 안정성과 전기적 연결성을 동시에 높였으며, 반복 충·방전 과정에서도 성능을 안정적으로 유지할 수 있는 기반을 마련했다.

개발된 전극은 초기 727 mAh/g의 용량을 구현했으며, 고속 충·방전 조건에서도 2000회 후 79.8%의 용량 유지율을 기록했다. 또한 실제 배터리 구동 환경을 모사한 풀셀 평가에서도 안정적인 성능을 입증했다. 이는 이번 기술이 단순한 실험실 수준을 넘어, 전기차와 에너지저장장치(ESS) 등 차세대 고성능 배터리 분야에 적용될 가능성을 보여준다.

양현우 교수는 “이번 연구의 차별점은 CNF를 단순한 지지체가 아니라 전극의 구조를 지탱하고 전기적 연결성을 유지하는 핵심 골격으로 활용한 데 있다”며, “각 섬유 표면에 실리콘을 균일하게 형성해 프리스탠딩 전극의 안정성과 성능을 동시에 확보했다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.

김선재 교수는 “실리콘 음극은 높은 용량에도 불구하고 반복 충·방전 과정에서 구조가 쉽게 손상되는 한계가 있었는데, 이번 연구는 이를 개선할 수 있는 새로운 설계 방향을 제시했다”며, “고속 충전과 장수명이 동시에 중요한 차세대 리튬이온전지 분야에서 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 교육부 기초과학연구역량강화사업의 핵심연구지원센터사업(센터장 김선재), 한국연구재단 이공분야 대학중점연구소지원사업(연구소장 송형규)의 지원을 받아 수행됐다.