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기타정보 불순물 섞어 고속충전·고용량 배터리용 소재 개발
작성자: 나그네량 조회 수: 72 PC모드
UNIST 이준희·POSTECH 박수진 교수팀, 탄소 없이 고전도성 실리콘 음극재 합성
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| (a,b) 황 도펀트(dopant)의 유무에 따른 실리콘 결정 구조 형성 모식도. 황 도펀트가 있는 경우(a) 실리콘 결정 내부에 치환된 형태 또는 결정면 사이에 황 사슬의 형태로 도핑이 되게 된다. (c)반금속 실리콘의 투과전자현미경(Transmission Electron Microscopy, TEM)과 (d,e) 원소 매핑 사진. Si는 실리콘, S는 황을 나타낸다. 실리콘에 황이 균일하게 도핑된 모습을 확인할 수 있다. 자료=UNIST |
탄소없이도 고전도성 실리콘 음극재를 만들어 고속충전·고용량 배터리를 만들 수 있는 기술이 국내에서 개발됐다.
UNIST는 에너지 및 화학공학부의 이준희 교수팀과 POSTECH(총장 김도연) 화학과의 박수진 교수팀이 '저온에서 황이 도핑된 실리콘을 합성하는 기술'을 개발했다고 3일 밝혔다.
공동 제1저자인 서지희 UNIST 석사과정 연구원은 "실리콘 구조를 전혀 변형하지 않고 도핑할 수 있는 차별성을 가진다"며 "상용화된 리튬 이온 배터리 평가 조건에서 검증한 결과, 10분만 충전해도 흑연의 4배 이상 용량을 유지했다"고 전했다.
전기차 배터리의 용량과 충전속도를 높일 소재로 '실리콘'이 꼽힌다. 실리콘 용량이 기존 음극 소재인 흑연보다 10배 이상 크기 때문이다. 연구진은 실리콘의 전기 전도도를 높이기 위해 '1%' 불순물을 첨가하는 도핑(Doping)으로 해결했다.
현재 리튬 이온 배터리의 음극 소재로는 전기 전도도가 높은 흑연이 쓰인다. 그런데 흑연은 이론적 용량 한계가 있어 대체 소재 개발이 진행 중이다. 실리콘이 중요한 후보지만 전기 전도도가 낮고, 충·방전 시 부피 변화가 커서 잘 깨진다는 문제가 있었다.
박수진-이준희 교수팀은 이런 실리콘의 단점을 해결하는 '1% 도핑법'을 개발했다. 저온에서 대량의 실리콘 입자에 황을 도핑하는 방법을 제안한 것이다. 이 방식으로 합성된 '반금속 실리콘'은 탄소 없이도 전기 전도도가 향상돼 고속충전이 가능했다. 기존에는 실리콘의 전도도를 개선하기 위해 탄소를 섞었는데 그럴 필요가 없어진 것이다.
공동 제1저자인 류재건 POSTECH 박사 후 연구원은 "기존 공정은 복잡하고 비싸며 불안정성이 높아 대량 생산에 적합하지 않았는데, 이번 연구로 손쉽게 반금속 실리콘을 만들게 됐다"고 설명했다. 류재건 박사는 "반응 시작부터 황을 도입하는 방식을 써서 실리콘 입자에 균일하게 황을 도핑하는 데 최초로 성공했다"며 "이 방식으로 합성된 반금속 실리콘은 전기 전도도가 50배 이상 향상돼 고속충전이 가능했다"고 말했다.
특히 이 기술로 만든 반금속 실리콘은 내부에 황 사슬도 길게 도핑돼 리튬 이온의 확산속도를 높이는 데도 기여한다. 실리콘과 황 원자, 또 황 사슬이 치환되면서 전기 전도도와 리튬 이온 확산속도를 모두 높이는 것이다. 이는 고속충전이 가능한 고에너지 배터리 개발에 이상적인 물리적 성질로 평가된다.
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| UNIST는 에너지 및 화학공학부의 이준희 교수팀과 POSTECH(총장 김도연) 화학과의 박수진 교수팀이 '저온에서 황이 도핑된 실리콘을 합성하는 기술'을 개발했다고 3일 밝혔다. 왼쪽부터 류재건 POSTECH 박사후 연구원, 이준희 UNIST 교수, 서지희 UNIST 석사과정 연구원, 이호식 UNIST 연구조교수. 사진=UNIST |
이준희 UNIST 교수는 "반금속 실리콘 소재는 탄소의 도움 없이도 빠르게 충전되고 오랫동안 사용할 수 있는 음극 소재의 특성을 확보한 최초의 기술"이라며 "단 1%의 도핑으로 실리콘 전극이 가진 거의 모든 문제점을 해결했다"라고 강조했다. 박수진 POTECH교수는 "이 기술은 배터리 소재에 국한되지 않고, 광전자 응용 분야를 비롯한 다양한 에너지 소재 산업에 크게 기여할 것"이라고 전망했다.
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진심 멋지네요. 이런 연구가 세상을 바꿀 수 있는 연구라고 생각합니다.