- 배터리 충방전 효율 향상, 다양한 배터리 소재 적용 가능
[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진을 포함한 국제공동연구팀이 차세대 배터리 소재로 활용되는 실리콘의 문제점으로 지적되던 충전시 크게 부풀고 부서지는 단점을 해결할 수 있는 방안을 찾아냈다.
울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 박수진 교수팀은 미국 북태평양국가연구소, 펜실베이니아주립대와 공동으로 리튬 이차전지용 실리콘 소재의 수명을 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다고 26일 밝혔다. 이 기술로 만든 실리콘 음극 소재의 충ㆍ방전 과정을 실시간으로 관찰해 물결 모양의 주름 구조가 안정성을 높이는 원리도 규명했다.
리튬 이차전지는 음극소재로 흑연을 주로 사용한다. 그런데 전기차 등에서 고용량 배터리 수요가 늘면서 실리콘이 주목받고 있다. 이론적으로 실리콘은 흑연보다 약 10배 이상 용량이 크고 작동 전압도 낮아, 고에너지 배터리에 적합하기 때문이다. 하지만 실리콘을 충전하면 약 3배 이상 부피가 팽창하면서 깨지거나 잘게 부서져 배터리 성능을 저하시켰다.
그동안은 이 같은 문제해결을 위해 음극 내부에 실리콘이 팽창할 만큼의 여유 공간을 만들거나, 실리콘을 단단한 물질로 둘러싸는 방식을 활용했다. 하지만 제조과정이 복잡한데다 실리콘의 고용량 특성도 보장하지 못했다.
이에 박수진 교수팀은 간단하고 값싼 방법으로 ‘깨지지 않는 대면적 이차원 실리콘’을 개발하고 성능 향상 원리를 규명했다.
연구진은 실리콘 나노시트를 대면적으로 합성하고, 탄소층을 얇게 코팅해 ‘대면적 이차원 실리콘’을 만들었다.
탄소는 실리콘과 달리 충전해도 10% 미만으로 팽창한다. 따라서 탄소층은 내부 실리콘의 부피팽창을 억제할 수 있다.
연구팀이 실제 이차원 실리콘 소재를 충전하자 수평 방향으로는 조금만 부풀고 수직 방향으로 더 많이 팽창했다. 하지만 방전할 때는 모든 방향에서 동일하게 실리콘이 수축돼 물결치는 모양의 주름 구조로 변형됐다.
주름 구조를 가진 새로운 실리콘을 음극 소재로 쓴 배터리는 충ㆍ방전해도 터지거나 깨지지 않았다.
실시간 투과전자현미경으로 충ㆍ방전 과정을 관찰한 결과, 주름 구조가 내부에 쌓인 힘을 손쉽게 방출시켜 안정적으로 팽창과 수축을 반복하는 게 입증됐다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서도 같은 해석을 얻었다.
박수진 교수는 “이 기술은 실리콘의 부피 팽창을 무조건 억제하는 게 아니라 자연스럽게 활용해 구조적으로 안정성을 높인 새로운 시도”라며 “게르마늄이나 주석 등 부피팽창률이 큰 다양한 배터리 소재에 적용할 수 있고, 플렉시블 이차전지 분야에도 새로운 역할을 할 것”이라고 밝혔다.
이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 7월 26일자 온라인 판에 게재됐다.
nbgkoo@heraldcorp.com
