KAIST, 왕겨 이용한 고용량 이차전지 기술개발

기사입력 2013-07-09

 

【대전=뉴시스】김양수 기자 = 국내연구진이 벼의 껍질인 왕겨를 이용해 출력과 수명이 긴 고용량 리튬이온 이차전지용 실리콘 음극 소재를 개발하는데 성공했다.

KAIST(총장 강성모)는 EEWS 대학원 최장욱 교수와 생명화학공학과 박승빈 교수 공동연구팀이 왕겨내부에 존재하는 다공성 천연 실리카 물질을 분리·정제해 고용량 리튬이온 이차전지 음극소재인 3차원 다공성 실리콘 물질을 개발했다고 9일 밝혔다.

실리콘 음극 소재의 고질적인 문제점인 부피팽창으로 인한 사이클 불안정성을 효과적으로 개선시켰다는 평가를 받는 이번 연구결과는 자연과학분야 세계적 권위지 미국국립과학원회보(PNAS) 온라인판에 게재됐다.

공동 연구팀에 따르면 리튬 이차전지 음극 활물질로는 흑연이 대표적이지만 전하 용량이 낮은 단점이 있고 대체물질로 실리콘이 주목받고 있으나 실리콘도 부피 팽창, 계면 불안정 등의 문제를 안고 있다.

이로 연구팀은 이차전지용 음극 물질로 사용되는 흑연의 대체 물질로 농업 부산물인 왕겨를 활용, 실리콘 소재를 개발에 나서 왕겨의 표피에 존재하는 다공성 실리카에서 3차원 구조의 다공성 실리콘 입자를 추출·합성했다.

이를 통해 기존 실리콘 기반 음극 소재의 고질적인 문제인 충·방전 시 부피의 팽창·수축으로 인한 미분화, 박리화 및 계면 불안정성 문제를 개선했고 값 비싼 나노 구조 합성 공정을 사용하지 않고 저렴한 원료물질로부터 나노 구조의 실리콘 음극 활물질을 생산하는데 성공했다.

왕겨에 포함된 실리카는 벼의 뿌리에서 생물학적 실리카의 선택적 흡수 및 정착과정을 통해 높은 순도의 실리카를 포함하고 있으며 쌀을 외부 바이러스나 해충으로부터 보호하고 저장이 용이토록 다공성 형태의 구조로 돼 있다.

실리콘 소재는 용량이 기존 흑연 전극 대비 3~5배 크기 때문에 차세대 리튬이온 이차전지 음극으로 활발하게 연구 중인 재료로 상용화에 성공한다면 리튬이차전지의 에너지 밀도가 높아져 소형전자기기용 이차전지의 사용시간이 약 1.5배 늘어날 것으로 기대된다.

최장욱 교수는 "왕겨 표피로부터 만들어진 상호 연결된 다공구조에 의해 실리콘의 부피팽창을 효과적으로 제어하고 우수한 용량 유지 특성 및 출력특성을 획기적으로 개선했다"며 "기존 실리콘 기반 리튬 이차전지가 갖는 용량·사이클 불안정성 등의 문제가 효과적으로 극복됐다"고 말했다.
kys0505@newsis.com

 

(대전=뉴스1) 박지선 기자 = 왕겨가 전지의 소재로 쓰일 수 있을 전망이다.

KAIST는 EEWS 대학원 최장욱(38) 교수와 생명화학공학과 박승빈(58) 교수 공동연구팀이 왕겨내부에 존재하는 다공성 천연 실리카 물질을 분리·정제해 고용량 리튬이온 이차전지 음극소재인 3차원 다공성 실리콘 물질을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구결과가 상용화될 경우 리튬이차전지의 에너지 밀도가 높아짐에 따라, 소형전자기기용 이차전지의 사용시간은 약 1.5배 늘어날 것으로 연구팀은 내다봤다.

특히 폐자원 혹은 저부가가치 산업에 적용되던 왕겨가 에너지 자원으로 활용된다면 학계 및 산업계에서 큰 파급효과를 일으킬 것으로 전망된다.

실리콘 소재는 기존 흑연 전극 대비 용량이 3~5배 크기 때문에 차세대 리튬이온 이차전지 음극으로 활용하기 위해 활발한 연구가 진행돼 왔다.

하지만 실리콘 음극 소재는 부피팽창으로 인한 사이클 불안정성이 고질적인 문제점으로 제기돼 왔다.

아래 맨 오른쪽 사진이 왕겨의 외피에 존재하는 실리카의 모습을 의미한다. /이미지=KAIST제공. © News1

연구팀은 실리콘 소재 개발을 위해 벼의 부산물인 왕겨에 주목했다.

최 교수에 따르면 왕겨에 포함된 실리카는 벼의 뿌리에서 생물학적 실리카의 선택적 흡수 및 정착과정을 통해 20wt%의 높은 순도의 실리카를 포함하고 있다. 또 쌀을 보호하고 오래 저장하기 위해 다공성 형태의 구조로 이뤄져 있다.

연구팀은 이 구조에 착안, 왕겨의 표피에 존재하는 다공성 실리카에서 3차원 구조의 다공성 실리콘 입자를 추출·합성 했다.

이를 통해 기존 실리콘 기반 음극 소재가 가지고 있는 문제점인 충·방전 시 부피팽창과 수축으로 인한 불안정성 문제가 효과적으로 개선됨을 확인했다고 연구팀은 밝혔다.

최 교수는 “왕겨 표피로부터 만들어진 상호 연결된 다공 구조에 의해 실리콘의 부피 팽창을 효과적으로 제어해 우수한 용량 유지 특성 및 출력특성을 획기적으로 개선했다”고 설명했다.

이번 연구 결과는 자연과학분야 세계적 권위지 '미국국립과학원회보(PNAS)' 9일자(한국시각) 온라인판에 게재됐다.

pencils31@

 

 

벼의 도정 부산물인 왕겨를 이용해 출력과 수명 특성이 긴 고용량 리튬이온 이차전지용 실리콘 음극 소재가 개발됐다.

한국과학기술원(KAIST)은 EEWS 대학원 최장욱 교수와 생명화학공학과 박승빈 교수 공동연구팀이 왕겨내부에 존재하는 다공성 천연 실리카 물질을 분리·정제해 고용량 리튬이온 이차전지 음극소재인 3차원 다공성 실리콘 물질을 개발했다고 9일 밝혔다.

실리콘 소재는 용량이 기존 흑연 전극 대비 3~5배 크기 때문에 차세대 리튬이온 이차전지 음극으로 활발하게 연구 중인 재료다. 이를 활용한 소재가 상용화에 성공한다면 리튬이차전지의 에너지 밀도가 높아져 소형전자기기용 이차전지의 사용시간이 약 1.5배 늘어날 것으로 기대되고 있다. 또 실리콘 음극 소재의 고질적인 문제점인 부피팽창으로 인한 사이클 불안정성을 효과적으로 개선시킬 것으로 예상되고 있다.

최장욱·박승빈 교수 연구팀은 이차전지용 음극 물질로 사용되고 있는 흑연의 에너지 용량 문제를 해결하기 위한 대체 물질로 실리콘 소재를 개발하기 위해 농업 부산물인 왕겨에 포함된 실리카를 활용하는 방법을 검토했다.

왕겨의 실리카는 20wt%의 높은 순도를 가지고 있으며 왕겨 내부에 존재하는 쌀을 외부 바이러스나 해충으로부터 보호하고 저장성이 용이하도록 다공성 형태의 구조로 이뤄져 있다.

연구팀은 왕겨의 표피에 존재하는 다공성 실리카에서 3차원 구조의 다공성 실리콘 입자를 추출·합성 했다. 이를 통해 기존 실리콘 기반 음극 소재가 가지고 있는 고질적인 문제점인 충·방전 시 부피의 팽창·수축으로 인한 미분화와 박리화 및 계면 불안정성 문제가 효과적으로 개선됨을 확인했다.

최장욱 교수는 "왕겨 표피로부터 만들어진 상호 연결된 다공 구조에 의해 실리콘의 부피 팽창을 효과적으로 제어해 우수한 용량 유지 특성 및 출력특성을 획기적으로 개선했다"며 "이에 따라 기존 실리콘 기반 리튬 이차전지가 가지는 한계를 용량·사이클 불안정성 등의 문제를효과적으로 극복할 수 있었다"고 말했다.
jhpark@fnnews.com 박지현 기자