전기차 배터리는 어떤 소재로 만들어질까요? 전기차에 가장 많이 쓰이는 리튬이온 배터리에는 ‘음극재’라는 핵심 소재가 들어갑니다.
지금까지는 이 음극재를 감싸는 소재로 흑연이 주로 사용돼 왔는데요. 최근, 흑연을 대체할 차세대 소재로 실리콘이 주목받고 있습니다. 왜 실리콘이 새로운 배터리 기술의 핵심으로 떠오르고 있는지, 함께 알아볼까요?
1. 같지만 다른 실리콘?
사실 전기차 배터리에 쓰이는 실리콘은 우리 주변에서 흔히 보이는 실리콘 소재를 말하는 게 아닌데요. 우리 주변에서 보이는 실리콘은 규소와 산소가 결합된 고분자 화합물입니다.
전기차에 쓰이는 실리콘은 규소의 영어 표현이라고 하는데요. 그래서 실리콘은 규소를 뜻하는 말이기도 하죠. 규소는 원자번호 14번인 준금속 원소입니다. 자연에서 산소 다음으로 풍부한 원소라고 하는데요. 자연 상태에선 원소가 아닌 이산화규소와 같은 형태로 존재하기 때문에 흙이나 모래를 이루는 주물질이기도 합니다.
2. 실리콘의 장점!
그리고 실리콘엔 특이한 성질이 하나 있는데요. 전기가 잘 흐르는 금속과, 전기가 거의 흐르지 않는 절연체의 중간 성질입니다. 이 특성 덕분에 전기의 흐름 조절이 가능해 20세기 후반에 들어서는 반도체의 핵심 소재로 사용되었는데요.
또한 열과 화학 반응에 강해 고온에서도 안정적으로 작동됩니다. 산소와 결합되어 보호할 수 있는 산화막을 만들 수 있다는 점도 좋은 소재라 이제는 반도체를 넘어 전기차 시장까지 주목하고 있는 추세죠.
3. 음극제의 핵심 소재
이유는 앞서 말했던 배터리의 핵심 소재인 ‘음극제’ 때문인데요. 음극제는 리튬 이온을 저장하고 방출하며 충전 속도와 수명을 결정하는 역할을 합니다. 이 저장량이 흑연보다 압도적으로 많으며 배터리 에너지 밀도를 높여 주행거리를 늘려준다는 실리콘의 연구 결과가 있는데요.
에너지 저장량이 많으면 배터리 크기를 키우지 않아도 된다는 장점이 있어 차량 효율이 좋아집니다. 그래서 차세대 전기차 배터리 소재로 실리콘이 불리고 있습니다.
4. 위험성이 있다
그런데 왜 상용화되지 않고 있을까요? 실리콘 배터리는 이론적으로는 충분히 제작할 수 있지만, 충전 및 방전 과정에서 부피가 크게 팽창하고 수축할 수 있는 위험성이 있습니다. 이 과정에서 음극이 부서지거나 효율이 떨어질 수 있는데요.
또한 실리콘은 흑연보다 전기전도도가 낮고 초기 효율도 떨어져 흑연 수준의 성능을 내기 어렵다는 연구 결과가 있습니다.
5. 실리콘의 미래!
그렇기 때문에 실리콘 소재를 단독으로 사용하기보단 흑연이나 다른 소재와 섞어 사용하는 방법을 연구 중인데요. 이 방식은 실리콘의 높은 에너지 저장 능력은 살리면서, 부피 팽창 문제를 줄일 수 있다는 장점이 있습니다.
또 실리콘을 아주 작은 입자로 만드는 나노 구조 기술이나, 표면을 보호하는 코팅 기술도 함께 개발되고 있죠.
실리콘은 반도체 산업에서 검증된 안정성과 함께 배터리 성능을 크게 높일 수 있는 가능성을 가진 소재로 주목받고 있는데요! 다만 충전 및 방전 과정에서 발생하는 부피 변화와 안정성 문제로 아직은 완전한 상용화 단계에 이르지는 못했습니다.
하지만 이런 기술들이 발전한다면, 실리콘은 전기차 배터리의 성능을 한 단계 끌어올릴 핵심 소재로 자리 잡게 될 것 것 같은데요. 과학의 발전이 신기하지 않나요? 지금까지 휴비스였습니다.
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