주름진 실리콘 이용
2차전지 수명 향상
깨지지 않고 장시간 사용할 수 있는 배터리 기술이 개발됐다.
울산과학기술원(UNIST) 연구진이 리튬 이차전지용 실리콘을 주름지게 해 수명을 향상시키는 기술을 개발했다. 충전할 때 크게 부풀고, 심지어 부서지던 실리콘의 단점을 해결하게 돼 차세대 배터리 소재로 각광받을 것으로 보인다.
UNIST 에너지 및 화학공학부의 박수진 교수팀은 미국 북태평양국가연구소(PNNL), 펜실베이니아주립대와 공동으로 실리콘 음극 소재의 충·방전 과정을 실시간으로 관찰해 물결 모양의 주름 구조가 안정성을 높이는 원리를 규명했다.
리튬 이차전지는 음극 소재로 ‘흑연’을 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. 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. 그러나 이런 방식은 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 나노시트(Silicon nanosheet)를 대면적으로 합성하고, 탄소층을 얇게 코팅해 ‘대면적 이차원 실리콘’을 만들었다.
제1저자인 류재건 UNIST 에너지 및 화학공학부 박사는 “실시간 이미징으로 물결치듯 주름진 구조가 실리콘 소재의 회복력을 부여한다는 걸 최초로 입증한 연구”라며 “새로운 실리콘 소재를 쓰면 팽창할 공간을 따로 확보하지 않아도 배터리의 초기 충ㆍ방전 효율을 높일 수 있다”고 말했다.
