“차세대 배터리용 실리콘 음극재, 영하의 온도에서 쉽게 파괴돼”

UNIST(울산과학기술원)는 에너지화학공학과 이현욱 교수 연구팀이 국제 학술지 ‘나노 레터스’(Nano Letters)에 배터리 개발 관련 논문 2편을 잇달아 발표했다고 12일 밝혔다.

첫 번째 논문에서는 차세대 배터리의 음극 소재(음극재)로 꼽히는 실리콘의 온도별 충·방전 특성을 분석했고, 두 번째 논문에서는 투과전자현미경(TEM)으로 액체 물질을 실시간으로 관찰하는 신기술을 제시했다.

첫 번째 논문 내용을 보면 실리콘은 상용화된 음극재인 흑연보다 10배 정도 용량이 커 고용량 배터리 소재의 후보로 손꼽히지만, 충전과 방전을 반복할수록 팽창하면서 단일 입자와 전자가 파괴된다는 단점이 있다.

연구팀은 실리콘을 차세대 음극재로 쓰려면 부피 팽창에 대비한 구조적 안정성을 확보하는 것이 최우선 과제라고 보고 온도별 부피 팽창과 파괴 거동을 분석했다.

그 결과 높은 온도에서는 부피 팽창 방향성이 줄어들었고, 0℃ 이하에서는 팽창 방향성이 증가해 나노 기둥이 쉽게 파괴됐다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 영하 20℃ 이하의 저온 환경에서 리튬 충·방전을 거친 실리콘 나노 기둥의 파괴 거동도 분석했는데, 상온에서 리튬 이온을 두 번 충전해도 비교적 안정적이었던 300㎚(나노미터·10억분의 1m) 지름의 실리콘 나노 기둥이 저온 환경에서는 100% 파괴됐다.

연구는 싱가포르 난양공대 이석우 교수팀과 공동으로 진행했다.

연구팀은 두 번째 논문에서는 단결정 그래핀을 이용해 액체 상태의 물질이 움직이는 모습을 투과전자현미경으로 원자 단위까지 관찰할 수 있는 새로운 방법을 제시했다.

연구는 UNIST 에너지화학공학과 진성환 교수, 기초과학연구원 로드니 루오프 다차원 탄소 재료 연구단장(UNIST 특훈교수)과 공동으로 진행했다.

차형석기자 stevecha@ksilbo.co.kr