UNIST “배터리 용량 크게 늘려줄 실리콘 소재 기술 개발”

울산과학기술원(UNIST)은 2차 전지(배터리)의 용량을 크게 늘릴 수 있는 소재 관련 신 기술을 개발했다고 오늘(14일) 밝혔습니다.

현재 널리 쓰이는 리튬이온배터리에 활용되는 흑연 소재보다 이론적으로 10배 이상 용량이 큰 실리콘 계열 소재가 있으나, 그간 내구성 문제로 사용이 어려웠습니다. 충·방전할 때마다 실리콘 부피가 최고 360% 부풀어올라 손상되기 쉽고, 폭발 위험도 있어 현재 흑연에 섞어 쓸 수 있는 실리콘계 소재 함량은 5%(400mAh/g급) 정도로 알려져 있습니다.

조재필 UNIST 에너지화학공학과 특훈 교수팀은 이 실리콘 계열 소재 내구성을 획기적으로 개선하는 합성기술을 개발했다고 설명했습니다. 급격한 부피 변화를 막기 위해 실리콘 음극재 입자를 최대한 작게 만들어야 하는데, 입자 크기를 1㎚ 이하(10억분의 1m)로 줄일 수 있는 합성법을 만들었다는 설명입니다.

연구팀에 따르면 음극재를 이루는 입자들은 핵에 원자들이 달라붙어 점점 커지는 성장 과정을 거쳐 하나의 입자(결정)로 완성되기 때문에 핵은 많이 만들면서 핵 성장을 억제하면 입자를 작게 만들 수 있습니다.

연구팀은 실리콘 원료인 실레인 가스와 함께 에틸렌(C2H4) 가스를 주입해 핵 성장을 억제시키는데 성공했습니다. 이에 따라 실제 실험을 진행한 결과 ‘1나노 이하 실리콘’이 형성될 수 있다는 것을 밝혔습니다.

이렇게 합성된 음극재 부피 팽창률은 상용 흑연 소재(13%)와 유사한 15% 정도였고, 또 2,800회 충·방전을 반복한 후에도 초기 용량의 91%를 유지했다고 연구팀은 설명했습니다. 연구팀은 실리콘계 음극 소재를 적용한 배터리 셀에서 500회 이상 충·방전 수명을 갖는 유의미한 실험 결과가 보고된 것은 처음이라는 설명입니다.

연구팀은 “전기차 뿐만 아니라 고용량 에너지 저장 시스템(ESS)에도 기술 적용이 가능할 전망”이라며, “이 합성 기술은 모든 공정이 건식 공정이라 대량 생산이 쉽고 생산 비용 절감 효과도 있을 것”이라고 기대했습니다. 이번 연구 결과는 네이처 에너지(Nature Energy)에 어제(13일)자로 공개됐습니다.

[사진 출처 : 연합뉴스 / UNIST 제공]