화학뉴스

울산과학기술원(UNIST)은 LiB(리튬이온 2차전지)용 실리콘(Silicone) 소재의 수명을 늘릴 수 있는 기술을 개발했다고 7월26일 발표했다.
박수진 에너지·화학공학부 교수팀은 미국 북태평양국가연구소(PNNL), 펜실베이니아 주립대학과 공동으로 깨지지 않는 넓은 평면모양 실리콘을 개발하고 성능향상 원리를 규명했다.
실리콘은 현재 LiB의 음극소재로 사용되는 흑연보다 10배 이상 용량이 크고 작동전압이 낮아 고에너지 배터리에 적합한 것으로 평가되고 있으나 실리콘을 충전하면 3배 이상 부피가 팽창하면서 깨지거나 부서져 배터리 성능을 저하시키는 단점으로 작용하고 있다.
연구팀은 실리콘 나노시트(Silicon nanosheet), 즉 매우 얇은 종이처럼 된 평면 실리콘을 만들어 위에 탄소층을 코팅해 단점을 해결했다. 탄소가 실리콘과 달리 충전해도 10% 미만으로 팽창하는 점을 이용해 실리콘의 부피 팽창을 억제하도록 한 것이다.
연구팀이 실제로 2차원 실리콘 소재를 충전하자 수평방향으로는 조금만 부풀고 수직방향으로 더 많이 팽창한 후 방전할 때는 실리콘이 수축하면서 물결 모양의 주름 구조가 생기는 것을 확인했다.
연구팀은 주름 구조가 배터리의 안정성을 높이는 사실도 관찰했다.
연구팀이 주름 구조 실리콘을 음극소재로 사용한 배터리를 충·방전해봤더니 터지거나 깨지지 않았고, 컴퓨터 시뮬레이션에서도 같은 결론을 얻었다.
연구팀은 “실리콘은 부풀고 줄어드는 과정에서 충격이 쌓여 쉽게 깨지는데, 주름이 충격을 흡수해 안정적으로 팽창과 수축을 반복할 수 있게 해준다”며 “물결치듯 주름진 구조가 실리콘 소재의 회복력을 부여한다는 것을 최초로 입증한 연구로 부피팽창률이 높은 다양한 배터리 소재에 적용할 수 있고, 휘어지는 2차전지 분야에도 새로운 역할을 할 것”이라고 밝혔다.
연구는 한국연구재단의 BK21플러스 사업과 LG연암재단 지원으로 수행했고, 연구내용은 네이처 커뮤니케이션서(Nature Communications) 7월26일자 온라인판에 실렸다.