실리콘을 이용한 리튬 이온 배터리의 용량 증가

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2008-12-01

최근 리튬 이온 배터리(lithium ion batteries)의 저장 용량을 현격히 증가시킬 수 있는 실리콘 기반의 양극이 개발되어, 노트북 및 휴대폰 등의 구동시간이 최대 7배까지 향상될 수 있게 되었다. 재충전 리튬 이온 배터리는 다양한 전자 장치의 일반적인 전원 소스로서, 하이브리드 전기 자동차에 사용되기도 하지만, 아직까지 소비자들의 욕구를 충족시키기에는 모자람이 있다. 리튬 이온 배터리는 흑연 양극에서 금속 기반의 음극으로 리튬 이온을 이동시켜 전류를 생성하게 된다. 배터리가 충전될 경우 리튬 이온은 흑연 양극 쪽으로 다시 돌아가, 그곳에서 포획된 상태가 된다. 하지만, 흑연은 상대적으로 낮은 저장 용량을 갖고 있기 때문에, 보다 많은 리튬 이온을 붙잡을 수 있는 재료의 전환은 보다 오랫동안 사용할 수 있는 배터리 개발의 척도이다. 최근 리튬 합금(lithium alloys)을 형성하여 흑연보다 많은 전하를 붙잡을 수 있는 실리콘에 많은 관심이 쏠리고 있다. 그러나 실리콘이 합금을 형성할 경우 최대 300%가 부풀며, 리튬 이온이 방출되면 다시 줄어드는 특성을 갖고 있다. 따라서, 몇 번의 재충전 후 실리콘의 구조는 깨져, 이온을 효과적으로 붙잡아 둘 수 없는 단점이 있었다. 최근 한양대 조재필 교수 연구진은 위와 같은 팽창과 수축을 수용할 수 있는 다공성 실리콘 재료(porous silicon material)를 개발함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있었다. 개발된 재료는 이산화 실리콘 나노입자를 실리콘 기반의 젤과 함께 아르곤 환경에서 섭씨 900도로 가열하여 제조되었다. 이후 이산화 실리콘이 에칭되면 얇은 탄소 층으로 코팅된 실리콘 결정이 서로 연결된 네트워크 구조를 형성하게 된다. 이러한 구조는 40 nm 두께의 얇은 실리콘 벽을 갖는 구멍을 내재하고 있다. 이러한 구멍들은 개발된 구조가 마치 숨을 쉴 수 있는 통로 역할을 하게 되는데, 약 100 싸이클의 팽창과 수축 후에도 개발된 재료는 구조적 안정성을 나타내었다. 연구진은 그램당 2800 밀리암페어 이상의 전하를 저장할 수 있었는데, 이러한 수치는 흑연보다 7배나 우수한 결과이다. 제조 프로세스는 간단하며, 대량 생산으로 확대되기도 용이하여, 그들은 이미 배터리 제조자와 협업을 진행 중에 있다. 연구진은 저장 능력이 뛰어나다고 해서 반드시 배터리의 수명이 길다는 것을 의미하지는 않는다고 말했다. 고 다공성 구조는 빠르게 채워져, 신속한 충전과 방전이 가능하다. 따라서, 이러한 특성은 하이브리드 자동차와 같이 고전력이 요구되는 분야에 활용될 수 있을 것이다. 이번 연구 성과는 리튬 배터리 분야의 현격한 발전을 도출할 수 있을 것이라고 미시컨 테크(Michigan Tech, US)의 배터리 디자인 전문가인 스티븐 핵크니(Steven Hackney)는 말했다. 하지만, 개발된 재료는 큰 표면적을 갖고 있기 때문에, 양극과 전해질간의 상호작용이 배터리의 작동에 손상을 입히지 않는지 주의 깊게 연구될 필요가 있다. 한편 성 앤드류대(University of St Andrews, UK) 양극 재료 학자인 존 아이빈(John Irvine)은 이번 연구 성과를 통해 보다 작고 경량의 배터리가 재조될 수 있을 것으로 기대한다고 말을 맺었다. [그림] 균열 없이 부풀어 오를 수 있도록 만드는 얇은 구멍 벽