KPI뉴스 - UNIST "차세대 고용량·고속충전 배터리 소재 '실리콘' 추우면 잘 깨져" 

  • 맑음영광군12.1℃
  • 맑음서귀포15.7℃
  • 맑음거제13.6℃
  • 맑음포항14.1℃
  • 맑음부안13.2℃
  • 맑음원주10.1℃
  • 맑음남해13.4℃
  • 맑음전주13.7℃
  • 맑음강화11.9℃
  • 맑음대관령8.6℃
  • 맑음인천16.5℃
  • 맑음고산16.9℃
  • 맑음청송군9.3℃
  • 맑음보령11.3℃
  • 맑음순창군9.7℃
  • 맑음서울13.0℃
  • 맑음합천10.8℃
  • 맑음경주시9.6℃
  • 맑음임실8.9℃
  • 맑음양평9.9℃
  • 맑음고창11.7℃
  • 맑음동두천11.5℃
  • 맑음파주10.1℃
  • 맑음보은8.9℃
  • 맑음춘천8.5℃
  • 맑음수원11.5℃
  • 맑음상주11.5℃
  • 맑음장흥11.2℃
  • 맑음산청11.0℃
  • 맑음강진군12.4℃
  • 맑음울진11.4℃
  • 맑음광양시13.3℃
  • 맑음해남12.2℃
  • 맑음홍천8.8℃
  • 맑음제천6.3℃
  • 맑음영천9.2℃
  • 맑음장수8.6℃
  • 맑음대전12.2℃
  • 맑음울산13.8℃
  • 맑음울릉도14.4℃
  • 맑음강릉15.5℃
  • 맑음봉화4.6℃
  • 맑음금산10.5℃
  • 맑음진도군13.0℃
  • 맑음순천9.1℃
  • 맑음완도15.6℃
  • 맑음김해시14.5℃
  • 맑음영주5.9℃
  • 맑음군산14.3℃
  • 맑음창원15.4℃
  • 맑음부산16.1℃
  • 맑음천안9.0℃
  • 맑음진주9.3℃
  • 맑음고흥11.6℃
  • 맑음제주16.5℃
  • 맑음이천11.5℃
  • 맑음정선군7.8℃
  • 맑음여수15.9℃
  • 맑음추풍령12.7℃
  • 박무흑산도15.7℃
  • 맑음남원9.7℃
  • 맑음영덕14.3℃
  • 맑음정읍11.3℃
  • 맑음북창원14.7℃
  • 맑음함양군9.2℃
  • 맑음철원13.6℃
  • 맑음양산시12.0℃
  • 맑음의령군11.4℃
  • 맑음통영16.5℃
  • 박무홍성12.1℃
  • 맑음광주13.0℃
  • 맑음성산13.8℃
  • 맑음인제9.5℃
  • 맑음백령도16.3℃
  • 맑음북춘천8.0℃
  • 맑음거창9.4℃
  • 맑음동해11.4℃
  • 맑음문경10.7℃
  • 맑음청주14.1℃
  • 맑음서산9.5℃
  • 맑음고창군10.5℃
  • 맑음세종12.0℃
  • 맑음북부산12.5℃
  • 맑음속초15.2℃
  • 맑음의성9.2℃
  • 맑음보성군12.1℃
  • 맑음밀양11.2℃
  • 맑음목포15.6℃
  • 맑음부여9.9℃
  • 맑음충주9.0℃
  • 맑음태백10.3℃
  • 맑음구미11.3℃
  • 맑음영월8.0℃
  • 맑음안동11.1℃
  • 맑음북강릉14.5℃
  • 맑음서청주10.9℃
  • 맑음대구12.5℃

UNIST "차세대 고용량·고속충전 배터리 소재 '실리콘' 추우면 잘 깨져" 

최재호 기자 Google구글에서 선호하는 출처로 추가
기사승인 : 2022-09-12 08:55:05
이현욱 교수팀, 배터리 물질개발 논문 2편 국제학술지 잇단 게재 고용량·고속충전 배터리 개발에 중요한 논문 2편이 울산과학기술원 연구팀에 의해 잇달아 발표됐다. 차세대 배터리 후보 물질인 '실리콘 연구'와 새로운 배터리 물질을 찾아낼 '투과전자현미경(TEM) 기법'에 관한 내용이다.

▲ 이현욱 유니스트 교수와 염수정 연구원 [울산과학기술원 제공]

UNIST는 에너지화학공학과 이현욱 교수팀이 최근 국제학술지 '나노 레터스'(Nano Letters)에 논문 2편을 연속 발표했다고 12일 밝혔다.

차세대 배터리의 음극 소재(음극재)로 꼽히는 '실리콘'의 온도별 충·방전 특성을 분석한 결과와 투과전자현미경(TEM)으로 액체 물질을 실시간으로 관찰하는 신기술이다. 

실리콘 특성에 관한 첫 번째 논문은 싱가포르 난양공대의 이석우 교수팀과 공동으로 연구했으며, 한국에너지기술평가원 에너지인력양성사업 프로그램에서 지원했다. 

실리콘은 상용화된 음극재인 흑연보다 10배 정도 용량이 크다. 이 덕분에 고용량 배터리 소재의 후보로 손꼽혔지만, 치명적 단점이 있었다. 충전과 방전을 반복할수록 팽창하면서 단일 입자와 전자가 파괴된다는 점. 이들이 깨진 표면을 따라 고체 전해질 계면이 형성되면 리튬 이온 전달이 느려진다는 것도 문제다. 

연구진은 방향성이 다른 3종류의 단결정 실리콘 웨이퍼에 전자빔(E-beam)으로 다양한 지름의 실리콘 나노 기둥을 제작했다. 나노 기둥을 중심으로 배터리 셀을 조립했고, 여기에 전기를 충·방전하며 리튬과 실리콘 웨이퍼의 전기화학반응을 살폈다. 그 결과, 실리콘 웨이퍼의 결정면 방향에 따라 각 나노 기둥은 리튬 충전 후 서로 다른 부피 팽창 거동을 보였다. 

제1저자인 염수정 연구원은 "실리콘 결정면의 특징에 따라 각각 둘, 넷, 여섯 방향으로 팽창하는데, 저온이나 상온 이상의 환경에서는 다른 특성을 보였다"며 "높은 온도에서는 부피 팽창의 방향성이 줄어들고, 0도 이하에서는 팽창 방향성이 증가해 나노 기둥이 쉽게 파괴됐다"고 설명했다.

연구팀은 영하 20도 이하의 저온 환경에서 리튬 충·방전을 거친 실리콘 나노 기둥의 파괴 거동도 분석했다. 그러자 상온에서는 리튬 이온을 두 번 충전해도 비교적 안정적이었던 300나노미터(㎚) 지름의 실리콘 나노 기둥이 저온 환경에서는 100% 파괴됐다. 

이현욱 교수는 "이번 연구를 미뤄 보면, 겨울철 저온 환경에서 충·방전 시 실리콘 음극에서는 부피 팽창과 파괴가 나타날 수 있다"며 "저온에서 실리콘 음극의 기계적 거동을 규명하고 파괴를 완화하는 방법을 개발하는 추가 연구가 필요하다"고 제안했다.

▲ 왼쪽부터 진성환 교수, 로드니 루오프 특훈 교수, 이찬희 연구원 [울산과기원 제공]

두 번째 논문은 차세대 배터리 물질을 찾아내는 도구인 TEM 기법의 발전시킨 내용이다. 단결정 그래핀을 이용해 '액체 상태의 물질'이 움직이는 모습을 원자 단위까지 관찰할 수 있는 새로운 방법을 찾아냈다. 

이 연구는 진성환 교수와 로드니 루오프 IBS 다차원 탄소재료 연구단장(유니스트 특훈교수)가 공동으로 진행했다.

TEM은 전자빔을 쏘아서 물질을 관찰하는 현미경으로, 광학현미경보다 수천 배가량 높은 배율로 물질을 관찰할 수 있다. 그러나 관찰대상이 액체일 경우 증발되지 않도록 높은 진공상태에 둬야 한다. 이 때문에 약 50나노미터(㎚) 두께의 '질화 실리콘 막'이나 탄소 원자 하나 두께의 '그래핀'을 이용해 액체를 감싸서 내부 물질을 분석해왔다. 

그런데 질화 실리콘 막의 두께는 관찰대상을 가리는 수준이라 해상도 높은 이미지를 얻기 어려웠다. 또 그래핀을 사용할 경우 액체를 가두는 부분의 모양과 위치, 크기가 달라져 일정한 조건에서 물질 관찰이 어려웠다. 

이번 연구에서는 이런 문제를 해결할 '새로운 액체 캡슐'을 개발했다. 질화 실리콘 막의 원하는 위치에 수백 나노미터 크기로 구멍을 일정하게 뚫은 뒤 단결정 그래핀을 합성해 코팅한 것. 2개의 막 사이에 액체를 두고 겹치면, 액체가 구멍을 덮은 그래핀 두 막을 위아래로 부풀리면서 그래핀 사이에 가둬진다. 

진성환 교수는 "질화 실리콘 막보다 100배 얇고 3배 이상 강한 단결정 그래핀을 사용해 액체를 가둠으로써 TEM 이미지의 해상도를 극대화할 수 있었다"며 "액체 캡슐의 크기와 위치, 모양을 자유롭게 조절해 동일 액체 조건에서 물질을 여러 차례 관찰할 수 있다"고 설명했다. 

새로 개발한 액체 캡슐을 쓰면 전자빔을 투과하는 액체의 두께가 기존보다 훨씬 얇아 가벼운 원소나 고분자, 바이러스 관찰에도 유리할 전망이다.

이현욱 교수는 "그간 관찰하지 못했던 가벼운 화합물의 액상 합성과정과 운동 메커니즘을 명확히 밝혀 배터리 물질 개발에 속도를 더할 것"이라고 의욕을 보였다.

▲ Nano Letters 속표지 캡처

KPI뉴스 / 최재호 기자 choijh1992@kpinews.kr

[저작권자ⓒ KPI뉴스. 무단전재-재배포 금지]