부피 팽창이라는 고질병, 전고체가 잡는다: 경상국립대, 실리콘 음극 열화 메커니즘 규명
차세대 전기차·로봇 배터리의 용량을 한 단계 끌어올릴 열쇠로 꼽히는 실리콘 음극은, 충·방전 때 부피가 크게 부풀어 수명이 급격히 나빠지는 고질병을 안고 있다. 경상국립대 성재경 교수 연구팀이 전고체 환경이 이 부피 팽창과 계면 손상을 효과적으로 완화한다는 사실을 실험으로 입증하고, 그 열화 메커니즘을 규명해 국제 학술지 어드밴스드 사이언스에 실었다. 전고체 배터리 상용화의 난제 하나를 기초부터 풀어낸 성과로 읽힌다.
전고체 배터리의 상용화를 가로막는 난제 중 하나가 '실리콘 음극'이다. 흑연을 대체할 고용량 소재로 오래 주목받았지만, 충전과 방전을 반복할 때 부피가 크게 부풀며 계면이 반복적으로 손상돼 수명이 빠르게 나빠지는 약점이 발목을 잡아 왔다. 데일리한국·이뉴스투데이 보도(2026년 7월 10일)에 따르면, 경상국립대학교 신소재공학부 성재경 교수 연구팀이 전고체전지용 실리콘 음극의 열화 과정을 규명하고, 전고체 환경이 이 고질병을 효과적으로 완화한다는 점을 실험적으로 입증했다. 연구 결과는 국제 학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 7월 3일 게재됐다.
실리콘 음극이 '상용화만 되면 판을 바꾼다'고 평가받는 이유는 용량에 있다. 실리콘은 이론상 흑연 대비 크게 높은 저장 용량을 가진 것으로 알려져, 같은 무게로 더 많은 에너지를 담을 수 있다. 문제는 리튬이 드나들 때마다 실리콘이 부풀고 수축하기를 반복하며 입자와 전해질의 접촉면이 깨지고, 그 자리에서 부반응이 일어나 배터리 성능이 급격히 떨어진다는 점이다. 액체 전해질 환경에서는 이 계면 손상이 특히 잘 진행돼 왔다.
연구팀의 접근은 같은 마이크로 실리콘 음극을 액체 전해질(리튬이온전지)과 황화물계 전고체전지에 각각 넣어 두 환경의 열화 양상을 정면으로 비교하는 방식이었다. 논문 제목이 '고체전해질과 액체전해질 환경에서 마이크로 실리콘 음극의 계면 열화 메커니즘'인 이유다. 그 결과 전고체 환경이 실리콘 음극의 대표적 문제인 부피 팽창과 반복적 계면 손상을 상대적으로 잘 억제한다는 사실을 실험으로 확인했다고 연구팀은 밝혔다. 왜 그런지를 원리 수준에서 짚어낸 것이 이번 성과의 핵심이다.
- 7월 3일 성재경 교수팀 논문, 어드밴스드 사이언스(IF 14.1·JCR 상위 7.6%)에 게재
- 부피 팽창·계면 손상 실리콘 음극의 두 고질병을 전고체 환경이 완화함을 실험적으로 입증
- 전기차·로봇·드론 고출력·고용량 배터리가 필요한 응용에 활용 가능한 음극 설계 기준 제시
연구팀은 이번 결과가 앞으로 피지컬 AI 기반 로봇과 미래 모빌리티처럼 고출력·고용량 배터리를 요구하는 분야에서 음극을 설계할 때 참고할 기준을 제시했다고 평가했다. 전기차뿐 아니라 로봇·드론·자율주행 등 고성능 에너지 저장장치 수요가 급증하는 흐름 속에서, 실리콘 음극을 어떻게 하면 오래 쓸 수 있느냐에 대한 기초 설계 지침을 준 셈이다. 이런 기초 연구가 쌓일수록 셀 제조사와 소재 기업이 감으로 접근하던 영역이 데이터로 채워진다.
정리하면, 전고체 배터리의 승부처는 '고체전해질'만이 아니라 '그 안에서 견디는 음극'으로도 넓어지고 있다. 국내 대학 연구팀이 실리콘 음극의 열화 원리를 규명해 세계적 학술지에 실었다는 사실은, 한국 차세대 배터리 밸류체인이 소재·셀을 넘어 기초 과학 저변까지 두꺼워지고 있음을 보여주는 강세 신호로 읽을 수 있다. 다만 이는 상용화 제품이 아니라 기초 연구 단계의 성과인 만큼, 실제 양산 셀에 적용되기까지의 시차와 공정 난도는 남은 변수로 함께 짚어둘 필요가 있다.
※ 이 글은 정보 제공 목적이며 투자 권유가 아니다. 산업·기술 전망과 특정 기관·기업에 대한 서술은 추정·의견을 포함하며, 판단과 책임은 독자 본인에게 있다.