경상국립대(총장 권진회)는 공과대학 신소재공학부(나노신소재융합공학과) 성재경 교수 연구팀이 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT, Single-Walled Carbon Nanotube)로 마이크로 실리콘 입자를 사슬처럼 감싸 연결한 전극 구조를 개발했다고 밝혔다. 이 음극을 적용한 전고체전지는 약 12분 만에 충전과 방전이 가능한 고속 조건(5C)에서 3000회 충·방전한 뒤에도 약 78%의 용량을 유지했다. 연구팀은 이를 통해 실리콘 음극의 높은 에너지 밀도를 살리면서 고출력과 장기 안정성을 함께 확보할 수 있음을 확인했다.

전기차와 함께 피지컬 AI) 기술을 기반으로 한 로봇, 드론, 자율주행 시스템 등의 산업이 빠르게 성장하고 있다. 이에 따라 에너지 밀도가 높고 안전한 차세대 배터리에 대한 요구가 커지고 있으며, 전고체전지(액체 전해질 대신 고체전해질을 사용하는 전지)가 이에 대응할 기술로 주목받고 있다. 음극 소재로는 기존 흑연보다 훨씬 높은 용량을 구현할 수 있는 실리콘(Si)이 핵심 소재로 평가받는다. 최근에는 음극 내부에 고체전해질을 넣지 않고, 서로 맞닿은 Si 및 Li–Si 영역을 따라 리튬이 확산되도록 하는 'Diffusion-Dependent(확산 의존형)' 마이크로 실리콘 음극이 새로운 전략으로 제시되고 있다. 이 구조는 전극 내 실리콘 함량을 높일 수 있어 에너지 밀도 측면에서 유리하다. 그러나 충·방전 과정에서 실리콘이 크게 팽창하고 수축하면서 생기는 응력 때문에 전극 내부에 균열과 공극이 형성될 수 있다. 특히 빠른 충·방전 조건에서는 이 같은 손상이 심해져 리튬이온과 전자의 이동 경로가 끊기고, 무인 드론과 로봇 등에서 가장 중요한 요소인 출력 성능이 제한된다.
   
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 단일벽 탄소나노튜브가 마이크로 실리콘 입자를 사슬처럼 감싸고 서로 연결하는 'Chain-based Networking(CN)-Si' 전극 구조를 설계했다. 탄소나노튜브가 실리콘 입자 주변에 연속적인 네트워크를 이루도록 한 것이 핵심이다. 이 네트워크는 충·방전 중 발생하는 응력을 분산시켜 균열과 공극 형성을 억제하고, 동시에 전극 전체에 연속적이고 균일한 전자 전달 경로를 제공한다. 이 구조는 표면의 응력 분포 덕분에 높은 기계적 강도를 나타내는 유리 방울인 '루퍼트 왕자의 눈물(Prince Rupert's drop)'의 원리에서 착안했다. 시뮬레이션 결과, 탄소나노튜브로 감싼 실리콘 입자에서는 입자 외곽에 압축 우세의 응력 환경이 형성되고, 입자 사이 접촉부에 몰리던 국부적인 응력 집중이 완화되는 것으로 나타났다. 또 연속적인 탄소나노튜브 네트워크가 전자 전달 경로를 유지해 실리콘의 리튬화와 탈리튬화가 보다 균일하게 진행됐고, 그 결과 국부적인 팽창과 수축에 따른 구조적 손상이 줄었다.

성능 평가에서도 효과가 확인됐다. 탄소나노튜브 기반 실리콘 전극은 약 20분 만에 방전이 가능한 3C 조건에서도 저율 대비 약 78%의 용량을 유지했다. 수십 차례 고속 충·방전을 거친 뒤 전극 구조를 비교한 결과, 기존 실리콘 전극에서는 전극 내부와 표면에 다수의 균열(Crack)과 공극(Void)이 생긴 반면 탄소나노튜브 기반 실리콘 전극에서는 이러한 구조적 열화가 크게 억제됐다. 이 음극에 NCM811 양극(니켈·코발트·망간 계열 고니켈 양극재)을 결합한 전고체 풀셀(양극과 음극을 모두 갖춘 전지)은 약 12분 만에 충전과 방전이 가능한 5C 조건에서 3000회 충·방전 후에도 약 78%의 용량을 유지했다. 이번 결과는 높은 출력이 요구되는 드론·로봇 등에 쓰일 고에너지 밀도 전고체전지의 실리콘 음극 설계에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

제1저자인 나노신소재융합공학전공 석박사통합과정 김석진 씨는 “Diffusion-Dependent 마이크로 실리콘 음극의 높은 에너지 밀도를 고출력 전고체전지에 활용하기 위해서는 충·방전 과정에서 발생하는 균열과 공극을 억제하는 동시에 전극 내부의 안정적인 전자 전달 경로를 유지하는 것이 중요하다”며 “이번 연구는 CNT를 단순한 도전재가 아니라 실리콘 입자를 감싸고 연결해 응력을 분산시키고 균일한 전자 네트워크를 형성하는 구조적 소재로 활용함으로써, 고에너지 밀도와 고출력 특성을 동시에 확보할 수 있는 새로운 실리콘 음극 설계 방향을 제시했다”고 설명했다.

이번 연구에는 경상국립대 항공우주공학부 임형준 교수 연구진과 미국 매사추세츠공과대(MIT) 재료공학부 주리(Ju Li) 교수 연구진이 참여했다. 그 결과는 「Chain-Networked Micro-Silicon Electrodes Inducing Internal Isostatic Compressive Stress for High-Energy and High-Power Solid-State Batteries」(제1저자 김석진)라는 제목으로 국제학술지 《Advanced Energy Materials》(IF: 25.5, JCR 상위 2.5%, 2026)에 게재됐다.