[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 국내 학자들이 ‘주름진 실리콘’ 소재 기술로 깨지지 않고 배터리를 안정적으로 작동시키는 연구를 주도, 차세대 배터리 소재로 각광받는 실리콘의 활용에 한 발 더 다가서게 됐다는 평가다. 

26일 UNIST(울산과학기술원·총장 정무영)에 따르면 이 대학 에너지·화학공학부의 박수진 교수팀은 미국 북태평양국가연구소(PNNL)·펜실베이니아주립대와의 공동 연구를 통해 리튬 이차전지용 실리콘 소재의 수명을 향상시킬 기술을 개발했다.

연구진은 이 기술로 만든 실리콘 음극 소재의 충‧방전 과정을 실시간으로 관찰해 물결 모양의 주름 구조가 안정성을 높이는 원리도 규명했다.

이번 연구결과는 이날 세계적 권위지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 온라인 판에 게재됐다.

UNIST 에너지 및 화학공학부의 박수진(왼쪽) 교수와 류재건(오른쪽) 연구원

우리가 쓰는 리튬 이차전지는 음극 소재로 흑연을 사용한다. 그런데 전기차 등에서 고용량 배터리 수요가 늘자 실리콘이 주목받고 있다. 이론적으로 실리콘은 흑연보다 약 10배 이상 용량이 크고 작동 전압도 낮아 고에너지 배터리에 적합하기 때문이다. 고에너지 배터리란 단위 부피 당 에너지 밀도가 높은 배터리를 말한다. 배터리 숫자를 늘리지 않고 원하는 에너지를 얻을 수 있어 장점이 많다.

하지만 실리콘을 충전하면 약 3배 이상 부피가 팽창하면서 깨지거나 잘게 부서져 배터리 성능을 저하시켰다.

기존 해결책은 음극 내부에 실리콘이 팽창할 만큼의 여유 공간을 만들거나 실리콘을 단단한 물질로 둘러싸는 것이었다. 이런 방식은 제조과정이 복잡한 데다 실리콘의 고용량 특성도 보장하지 못했다.

이에 박수진 교수팀은 간단하고 값싼 방법으로 ‘깨지지 않는 대면적 이차원 실리콘’을 개발하고 성능 향상 원리를 규명했다.

연구진은 실리콘 나노시트(Silicon nanosheet)를 대면적으로 합성, 탄소층을 얇게 코팅해 ‘대면적 이차원 실리콘’을 만들었다.

주름 구조를 가진 새로운 실리콘을 음극 소재로 쓴 배터리는 충‧방전해도 터지거나 깨지지 않았다.

실시간 투과전자현미경(in situ TEM)으로 충‧방전 과정을 관찰한 결과, 주름 구조가 내부에 쌓인 힘을 손쉽게 방출시켜 안정적으로 팽창과 수축을 반복하는 게 입증됐다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서도 같은 해석을 얻었다.

대면적 이차원 실리콘 소재(2DSi@C)의 합성 과정과 결과물: a는 실리콘 나노시트를 합성하는 과정이다. 정육면체 소금 결정에 실리콘을 코팅한 다음, 소금만 녹여내면 실리콘 나노시트가 만들어진다. b는 만들어진 실리콘 소재의 투과전자현미경(TEM) 이미지다. 왼쪽은 한쪽 폭이 5㎛ 정도인 대면적 실리콘 나노시트를 TEM으로 촬영한 모습이다. 어두운 색으로 보이는 부분이 대면적 실리콘 나노시트이고 아래쪽은 TEM의 시료를 두는 부분이 비친 것이다. 오른쪽에는 10㎚ 두께만큼 탄소층이 코팅된 이차원 실리콘 소재의 단면이다. 아래쪽에는 실리콘이, 위쪽에는 탄소가 위치한다.

박수진 교수는 “이 기술은 실리콘의 부피 팽창을 무조건 억제하는 게 아니라 자연스럽게 활용해 구조적으로 안정성을 높인 새로운 시도”라며 “게르마늄(Ge)이나 주석(Sn) 등 부피팽창률이 큰 다양한 배터리 소재에 적용할 수 있고, 플렉시블 이차전지 분야에도 새로운 역할을 할 것”이라고 말했다. 

kimys@newspim.com