울산과기대 조재필 교수를 비롯한 국내 연구팀이 실리콘 나노 튜브를 이용하여 리튬이차전지의 용량을 50% 이상 크게 높이면서 수명을 상용화 수준인 90%로 개선하는 원천기술을 개발하는데 성공했다.
조재필 교수팀은 수십 마이크론(1마이크론=10-6미터)의 길이를 가지는 산화물 또는 고분자주형틀에 실리콘전구체를 용액상에서 넣은 후 고온에서 열처리 및 산처리 통해 제거함으로써 길이가 10마이크론 이상, 직경이 200나노미터(1나노미터=10-9미터)이고 외벽두께가 40나노미터인 나노 튜브를 합성하였다.
전세계적으로 고순도 실리콘을 나노튜브 형태로 합성에 성공한 예는 이번이 처음이다.
실리콘은 현재 리튬이차전지의 음극소재에 사용 중인 흑연 대비 용량이 10배 이상 높지만 리튬과 반응 시 부피 팽창으로 인해 리튬 저장 능력이 급격하게 떨어지는 문제점이 있었으나, 조 교수팀은 실리콘을 나노튜브 형태로 합성함으로써 이 문제를 완전히 해결하였다.
또한 기존에 개발된 카본나노튜브는 흑연 분말을 대체하는 물질로 각광을 받았지만 실리콘 나노튜브 보다 효율이 60% 이상 낮고 저장능력이 20%에 미치지 못해 차세대 이동통신기기용 리튬 이차 전지들이 요구하는 사용시간을 맞출 수 없는 실정이다.
이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단이 지원하는 세계수준의 연구 중심대학 사업(WCU : World Class University)의 지원을 받아
울산과기대 에너지공학부 조재필(42세) 교수가 교신저자, 울산과기대 석박사 통합과정 박미희(24세)씨가 제1저자로 참여하여 연구 수행의 핵심적인 역할 을 수행하였다.
이번 논문 교신저자인 조재필 교수는 최근 5년간 에너지 저장분야에서 SCI급 논문 79편을 발표하였으며, 나노에너지소재의 세계 최고 저널인 안게반테 케미국제판, Advanced Materials, Nano Letters지에 논문을 모두 게재한 리튬 에너지 저장분야의 세계적인 과학자이다.
이번 연구 결과는 화학분야에서 나노 분야의 세계 최고 권위지인 나노레터스(Nano Letters)지 9월 12일자 온라인 속보판에 게재되었다.
이 나노튜브를 음극으로 파우치형태의 리튬이차전지를 구성 후 평가한 결과 현재 상용화제품대비 50% 용량증강과 200사이클이 지난 후에도 수명유지 특성이 90%를 보였다.
울산과기대 조재필 교수는 “고순도 실리콘 나노 튜브는 기존나노입자대비 표면반응성이 수십배가 뛰어나 튜브 표면에 특정 항체를 붙여 생체 물질 탐침으로도 사용이 가능하다”고 말했다.
이번 기술은 LG화학 기술원과 공동으로 한국에는 특허 출원을 완료하였으며 전세계 13개국에 특허 출원을 진행 중이다.
