^*고에너지 배터리: 단위 부피 당 에너지 밀도가 높은 배터리를 말한다. 같은 부피에 더 많은 에너지를 저장할 수 있으므로 배터리 크기를 작게 만들어도 기존과 같은 성능을 보일 수 있다. 전기차에 고에너지 배터리를 적용하면, 배터리 숫자를 늘리지 않고 원하는 에너지를 얻을 수 있을 전망이다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

휴대용 전자기기의 사용량이 지속적으로 증가하고 활용범위도 넓어짐에 따라, 전력 공급원으로 사용되는 이차전지의 에너지 밀도를 높이고 안정성을 향상시킬 수 있는 새로운 기술이 요구되고 있다. 하지만 현재 사용 중인 리튬 이차전지는 미래 기술에 부합하기에 한계가 있다. 음극 소재로 활용되는 흑연계 물질의 용량이 낮고, 충전 속도가 느리기 때문이다.

최근 용량이 높은 실리콘 기반 음극소재가 개발되면서 배터리의 에너지 밀도가 크게 향상될 것으로 기대되고 있다. 그러나 충전과 방전 시 부피 변화가 크다는 점이 휴대용 전자기기나 전기자동차에 사용할 배터리로 개발하는 데 걸림돌이 되고 있다. 이를 해결하는 대안으로 음극 소재에 ‘나노 구조화’, ‘다공성 구조화’, ‘2차 입자화’, ‘탄성 바인더’ 등을 사용하는 방안이 제시됐고, 이를 활용해 충전 시 발생하는 실리콘의 구조적 불안정성을 완화했다.

하지만 현재까지 보고된 실리콘의 부피팽창 완화기술은 근본적으로 팽창을 억제하거나 빈 공간을 도입하는 방식이다. 이는 실리콘의 활용 가능한 용량의 저하, 물질의 밀도 저하, 높은 생산비용, 에너지 밀도 저하 등의 문제가 있었다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 재활용 가능한 소금 결정 템플릿을 이용해 50㎚ 수준의 비다공성 구조의 대면적 실리콘 시트를 합성하고, 비정질 탄소층을 도입해 ‘깨지지 않는 실리콘 음극 소재’를 개발했다. 참고로 재활용 가능한 소금 결정 템플릿으로는 실리콘 합성 후 남은 소금수용액을 포화용액으로 만든 후, 비용매를 추가해 원하는 결정크기로 다시 수득할 수 있다. 이 과정을 10번 이상 반복해도 99% 이상 소금을 다시 얻을 수 있었다.

일반적인 실리콘 소재는 충전할 때 강한 장력이 작용해 쉽게 깨진다. 하지만 새로운 실리콘 소재는 10% 미만으로 팽창하는 얇은 탄소층을 도입해 면 방향 팽창을 억제했고, 대신 축 방향 팽창이 크게 증가하는 이방성 팽창 현상을 유도했다. 그 결과 충전 시 실리콘에는 장력 대신 압축력이 작용하게 됐다. 반면, 방전 시에는 모든 방향의 수축 비율이 동일해 압축 에너지를 방출하며 물결 구조를 가진 실리콘이 형성됐다.

실시간 투과전자현미경으로 관찰한 결과, 개발된 실리콘 소재의 물결 구조가 내부 스트레스를 효율적으로 배출해 구조적으로 안정성을 유지할 수 있음을 증명했다. 실리콘과 탄소층이 가지는 기계적 특성의 부조화가 회복력 있는 실리콘 구조를 만들어낸 것은 물론, 배터리 수명도 늘렸다.

이를 통해 ① 대량생산에 적합한 대면적 이차원 실리콘 소재의 합성이 가능하고 ② 서로 다른 기계적 특성을 활용한 회복력 있는 실리콘 소재의 설계가 가능하다는 걸 밝혔다. 이는 기존에 보고된 초박막(Ultrathin) 실리콘 나노시트와는 차별된다. 또 비다공성 구조의 실리콘을 사용하므로 나노시트임에도 불구하고, 높은 배터리 초기 효율의 장점을 가진다.

이번 연구에 사용된 실리콘 소재는 저렴하고, 반도체 특성이 우수하며, 가공하기 손쉬운 전자 소재 및 에너지 소재로 주목받고 있다. 하지만 나노구조로 된 실리콘 소재는 제조과정이 복잡하고 대량생산에 적합하지 못해 산업에 적용하기는 어려웠다. 이번 기술을 적용하면 기존의 귀금속 시드 성장(Novel Metal Seed Growth) 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)을 이용한 실리콘 나노시트의 제조공정 단가를 1/5 수준으로 낮출 수 있다.

제조된 대면적 이차원 실리콘 소재를 배터리 음극소재로 이용한 결과, 기존에 보고된 실리콘 나노 소재보다 높은 배터리 초기 효율을 보였다. 또 수백 사이클 동안의 충/방전에도 안정성을 유지했다. 다른 나노시트 음극 소재와 비교해도 성능이 우수했다. 이는 대면적 이차원 실리콘 소재의 비다공성 구조와 방전 시 형성되는 회복력 있는 물결구조의 형성 덕분이다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 재활용 가능한 소금 결정 템플릿을 이용해 50㎚ 수준의 비다공성 구조의 대면적 실리콘 시트를 합성하고, 비정질 탄소층을 도입해 ‘깨지지 않는 실리콘 음극 소재’를 개발했다. 참고로 재활용 가능한 소금 결정 템플릿으로는 실리콘 합성 후 남은 소금수용액을 포화용액으로 만든 후, 비용매를 추가해 원하는 결정크기로 다시 수득할 수 있다. 이 과정을 10번 이상 반복해도 99% 이상 소금을 다시 얻을 수 있었다.

일반적인 실리콘 소재는 충전할 때 강한 장력이 작용해 쉽게 깨진다. 하지만 새로운 실리콘 소재는 10% 미만으로 팽창하는 얇은 탄소층을 도입해 면 방향 팽창을 억제했고, 대신 축 방향 팽창이 크게 증가하는 이방성 팽창 현상을 유도했다. 그 결과 충전 시 실리콘에는 장력 대신 압축력이 작용하게 됐다. 반면, 방전 시에는 모든 방향의 수축 비율이 동일해 압축 에너지를 방출하며 물결 구조를 가진 실리콘이 형성됐다.

실시간 투과전자현미경으로 관찰한 결과, 개발된 실리콘 소재의 물결 구조가 내부 스트레스를 효율적으로 배출해 구조적으로 안정성을 유지할 수 있음을 증명했다. 실리콘과 탄소층이 가지는 기계적 특성의 부조화가 회복력 있는 실리콘 구조를 만들어낸 것은 물론, 배터리 수명도 늘렸다.

이를 통해 ① 대량생산에 적합한 대면적 이차원 실리콘 소재의 합성이 가능하고 ② 서로 다른 기계적 특성을 활용한 회복력 있는 실리콘 소재의 설계가 가능하다는 걸 밝혔다. 이는 기존에 보고된 초박막(Ultrathin) 실리콘 나노시트와는 차별된다. 또 비다공성 구조의 실리콘을 사용하므로 나노시트임에도 불구하고, 높은 배터리 초기 효율의 장점을 가진다.

이번 연구에 사용된 실리콘 소재는 저렴하고, 반도체 특성이 우수하며, 가공하기 손쉬운 전자 소재 및 에너지 소재로 주목받고 있다. 하지만 나노구조로 된 실리콘 소재는 제조과정이 복잡하고 대량생산에 적합하지 못해 산업에 적용하기는 어려웠다. 이번 기술을 적용하면 기존의 귀금속 시드 성장(Novel Metal Seed Growth) 화학기상증착법(Chemical Vapor Deposition)을 이용한 실리콘 나노시트의 제조공정 단가를 1/5 수준으로 낮출 수 있다.

제조된 대면적 이차원 실리콘 소재를 배터리 음극소재로 이용한 결과, 기존에 보고된 실리콘 나노 소재보다 높은 배터리 초기 효율을 보였다. 또 수백 사이클 동안의 충/방전에도 안정성을 유지했다. 다른 나노시트 음극 소재와 비교해도 성능이 우수했다. 이는 대면적 이차원 실리콘 소재의 비다공성 구조와 방전 시 형성되는 회복력 있는 물결구조의 형성 덕분이다.

3. 기대효과

이번 기술을 이용하면 대면적 실리콘 나노시트를 저비용으로 대량생산할 수 있다. 재활용 가능한 소금 템플릿을 활용해 나노시트를 생산할 수 있어 비용과 시간을 모두 절약할 수 있기 때문이다. 실험실 수준의 생산 환경으로 달성한 생산단가 절감은 추후에 산학 협력을 통해 추가적으로 절감될 여지가 충분하다.

이 기술은 앞으로 높은 안정성을 요구하는 전기자동차용 배터리 음극 소재로서 가능성을 가지고 있다. 또 이번 연구에서 규명한 서로 다른 기계적 특성을 활용한 회복 가능한 음극 소재의 설계방법은 실리콘뿐 아니라 큰 부피팽창으로 그 활용에 제약이 있었던 배터리 재료 분야 전반에서의 설계 기반이 될 수 있다.

[붙임] 용어설명

1. 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)

NPG(Nature Publishing Group)에서 2010년 창간한 과학 전문잡지로서, 2018년 기준 인용지수는 12.353에 이른다. 화학, 물리, 생물 분야의 최고 권위지이다.

2. 나노시트(Nanosheet)

나노미터(㎚) 단위의 두께를 가지는 이차원 구조체를 말한다. 대체로 10㎚ 미만부터 수십㎚ 두께까지의 나노시트를 포함한다. 수평 방향으로는 크기 제한이 없다. 나노시트를 초미세/고효율 전자기계부품으로 활용하기 위해 세계 각국의 여러 기관이 연구개발을 왕성히 진행하고 있다. 참고로 1나노미터는 1,000,000,000분의 1m다.

3. 비용매 유도 침전(Non solvent-induced precipitation)

포화상태의 소금(NaCl) 수용액에는 소금이 녹지 않는다. 그러나 물과 잘 섞이는 비용매를 천천히 추가하면, 용해돼 있던 소금이 천천히 침전되면서 균일한 크기로 재결정화가 일어난다. 비용매의 종류에 따라 결정 크기를 조절할 수 있다. 이 방식은 소금에 국한되지 않고 용해 가능한 모든 염(鹽)에 적용 가능하다.

4. 실시간 투과전자현미경 (in situ TEM)

전자 빔을 시료에 쏘아 시료를 투과하는 전자의 정보로 이미지를 읽는다. 전자가 공기 입자에 부딪히면 산란되기 때문에 전자를 쏘는 일은 강한 진공 상태에서 이뤄진다. 전자는 빛보다 파장이 훨씬 짧기 때문에 광학현미경보다 고배율로 시료를 볼 수 있다. 이를 배터리 소재 분석에 적용해 충·방전 시 발생하는 입자의 구조적, 물리적 변화를 실시간으로 관찰할 수 있다.

5. 리튬 이온 전지

리튬 이온 전지는 2차 전지의 일종으로 방전 과정에서 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하는 전지다. 충전 시 리튬 이온이 양극에서 음극으로 다시 이동해 제자리를 찾는다. 1991년 소니(SONY)가 최초의 상업적 리튬 이온 전지를 출시한 후, 지금까지 가장 많이 사용되는 2차 전지로 휴대용 전자기기 시장의 대부분을 차지하고 있다. 최근에는 나노기술을 응용해 음극, 양극과 전해질로 어떤 물질을 사용하느냐에 따라 전지의 전압과 수명, 용량, 안정성 등의 전지 성능을 높이고 있다.

[붙임] 그림설명