전고체 배터리의 ‘숨구멍’을 찾다… 中 연구진, ‘통기성 실리콘 음극’ 개발

차세대 배터리의 ‘성배’로 불리는 전고체 배터리의 상용화를 앞당길 획기적인 음극 소재 기술이 중국에서 발표되었다. 리튬 이온을 흡수할 때 부피가 급격히 부풀어 올라 배터리 수명을 단축시켰던 실리콘 음극의 한계를 ‘호흡하는 나노 구조’를 통해 극복한 것이다.

2026년 2월 2일(현지시각) 중국 글로벌 타임스 및 주요 외신에 따르면, 닝보대학교 물리과학기술대학의 천왕화(Chen Wanghua) 교수가 이끄는 공동 연구팀은 자연의 호흡 메커니즘에서 착안한 3차원 ‘통기성(Breathable)’ 실리콘 나노와이어 음극을 성공적으로 개발했다.

이번 연구 결과는 국제 에너지 재료 분야의 권위 있는 학술지인 ‘에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)’ 최신호에 게재되었다.


실리콘은 기존 상업용 흑연 음극보다 이론상 10배나 높은 에너지 저장 용량을 갖추고 있어 전고체 배터리의 핵심 소재로 주목받아 왔다. 천왕화 교수는 실리콘을 엄청난 잠재력을 가진 ‘슈퍼 포터(Super Porter)’에 비유했다.
하지만 실리콘은 충전 시 리튬 이온을 받아들이면서 부피가 원래 크기의 3배(300%) 이상 팽창한다는 치명적인 단점이 있다.

이러한 반복적인 팽창과 수축은 소재의 붕괴(Pulverization)를 유발하고, 결국 배터리 수명을 급격히 떨어뜨리는 ‘탈진’ 상태를 초래해 상용화의 가장 큰 걸림돌이 되어 왔다.


연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 실리콘이 배터리 내부의 단단한 환경에서도 자유롭게 팽창하고 수축할 수 있는 공간을 제공하는 혁신적인 설계를 고안했다.

플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD) 기술을 활용해 실리콘을 가루 형태가 아닌, 마치 숲속의 나무들처럼 똑바로 선 ‘3차원 나노와이어’ 형태로 제작했다.
나노와이어들 사이에는 풍부한 빈 공간이 존재한다. 리튬 이온이 유입되어 실리콘이 팽창할 때, 이 빈 공간이 완충 작용을 하여 주변 전해질을 압박하지 않고도 부피 변화를 수용할 수 있다.

2단계 PECVD 공정을 통해 전류 수집기와 직접 통합된 '이중 상' 코어-셸 구조를 구현하여 전기적 안정성을 극대화했다.


실험 결과, 이 새로운 음극을 적용한 전고체 배터리는 탁월한 전기화학적 성능뿐만 아니라 놀라운 물리적 내구성을 보여주었다.

연구진은 해당 배터리가 심하게 구부러지거나 가위로 잘린 상태에서도 멈추지 않고 지속적으로 전력을 공급하는 데 성공했다고 밝혔다.

이는 화재 위험이 없는 전고체 배터리의 안전성과 실리콘 음극의 유연한 구조가 결합된 결과로, 향후 폴더블 스마트폰이나 웨어러블 의료 기기 등에 활용될 가능성을 시사한다.

업계 전문가들은 이번 연구가 이온 수송 속도(동역학)와 기계적 무결성을 건축적 설계를 통해 동시에 해결한 ‘새로운 패러다임’이라고 평가하고 있다.

고에너지·장수명 전고체 배터리 구현을 위한 실질적인 기술 경로를 제시함으로써, ‘꿈의 배터리’ 시대가 한 걸음 더 가까워진 것으로 보인다.


신민철 글로벌이코노믹 기자 shincm@g-enews.com