^*실리카(silica, silicon dioxide): 실리콘의 산화물 중 하나로, 실리콘 원자 하나와 산소 원자 둘이 반응해 이뤄진 물질이다. 실리카 혹은 실리콘 다이옥사이드라고 부른다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

모바일 기기나 노트북 등 작은 크기의 전자기기를 넘어 전기자동차와 같은 중대형기기에도 2차 전지의 수요가 늘고 있다. 그에 따라 리튬 이온 배터리의 활용범위가 넓어졌으며 요구되는 조건들도 다양해지고 있다. 그러나 현재 상용화된 리튬 이온 배터리는 용량적인 측면에서 한계를 보인다. 특히, 음극 소재로 쓰이는 흑연의 용량이 낮기 때문에 한계가 더욱 명확하다.

최근 용량이 높은 실리콘 기반 음극 소재가 개발되면서 리튬 이온 배터리의 용량과 에너지 밀도가 크게 향상될 것으로 기대되고 있다. 그러나 두 가지 측면에서 여전히 실현성이 낮다. 첫째, 합성 과정에서 고온을 요구하고 대량 생산이 어렵다는 점과 둘째, 리튬 배터리 내에서 충전과 방전 시 부피 변화가 크기에 안정한 고용량 배터리를 만들어내는 데 부족함을 보인다.

이를 해결하기 위해 생산적인 측면에서는 다양한 실리콘 합성 소재를 이용하거나 촉매를 이용해 합성을 용이하게 하게 만드는 방법들이 연구되고 있다. 배터리 측면에서는 실리콘 나노화, 구조 변형 등이 해결 방법으로 제시되고 있다.

2. 연구내용

이번 연구에서는 금속할로젠화물 촉매를 이용해 실리콘 음극 소재를 개발했고, 그 메커니즘 또한 규명했다. 또한 독특한 실리콘 구조를 통해 충‧방전 시 부피 변화를 기존보다 훨씬 낮춰 수명이 길어진 특성을 가진 음극 소재로 발전시켰다.

기존의 실리콘 합성은 수백 ℃ 이상의 고온에서 금속과 실리카의 산화-환원 반응으로 이루어진다. 그런데 금속할로젠화물 촉매를 도입하면 녹는점이 낮아 반응 온도를 낮출 수 있다. 또 이 촉매가 금속과 실리카의 반응에 직접 참여해 실리카의 환원을 이끌어낸다는 게 증명됐다.

이 방법으로 합성된 실리콘은 촉매 역할로 인해 실리카가 환원되는 동안 원자 단위로 쪼개져서 반응이 끝난 후 속이 비고 다공성 껍질을 가지는 독특한 구조의 마이크로 크기의 실리콘을 형성한다. 그 결과, 충전 과정에서 4배 이상의 부패 팽창하면서 수명 특성이 낮아지는 기존 실리콘 물질과 달리, 낮은 부피팽창과 긴 수명 특성을 보여준다.

이 연구결과는 실시간 투과전자현미경으로 관찰된 결과로도 증명됐다. 저온 합성된 실리콘은 껍질에 존재하는 구멍들과 내부의 빈 공간이 부피팽창을 억제함을 보여준 것.

이를 통해 첫째, 금속할로젠화물이 촉매로써 실리콘 합성과정에서 어떤 역할을 하는지 처음 밝혀냈고 둘째, 금속할로젠화물을 사용할 때 낮은 반응열이 필요하므로 대량생산이 가능함도 보여줬다. 마지막으로 합성된 실리콘 소재의 독특한 구조로 인해 에너지 밀도와 수명 특성 모두를 향상시킴으로 실리콘 음극 소재의 실용화 가능성을 더 열어줬다.

3. 기대효과

이번 기술로 금속할로젠화물의 역할을 규명함으로써 새로운 환원 반응의 가능성을 밝혀냈다. 이는 향후 실리콘 합성방법의 범위를 확대하는 데 기여할 수 있다. 또 실리콘 합성이 낮은 온도에서 진행되기에 생산 비용을 절감시킬 수 있어 저비용 고생산량에 이바지할 가능성이 무궁무진하다.

이번에 개발한 기술은 앞으로 높은 안정성과 긴 수명 특성을 요구하는 중대형 배터리의 음극 소재로서 활용될 가능성을 가지고 있다.

[붙임] 용어설명

1. 커뮤니케이션스 케미스트리(Communications Chemistry)

NPG(Nature Publishing Group)에서 2018년 창간한 화학전문잡지(Open access)로서, 순수 및 응용 화학 분야에서 주목받고 있는 저널이다.

2. 실리카(silica, silicon dioxide)

실리콘은 두 가지 산화물을 가질 수 있다. 실리콘 모노옥사이드(silicon monoxide, SiO), 실리콘 다이옥사이드(silicon dioxide, SiO₂)가 이에 해당한다. 실리카의 경우는 후자인 실리콘 다이옥사이드에 해당한다.

3. 금속을 이용한 산화물 환원(Metallothermic reduction reaction)

모든 금속은 서로 다른 산화 에너지를 가지고 있다. 그 차이를 이용해 금속을 환원제로 사용해 활성화 에너지 이상의 열을 통해 산화물을 환원시키는 방법이다. 예를 들어, 알루미늄은 실리콘보다 더 쉽게 산화될 수 있다. 이 원리를 통해 알루미늄을 환원제로 사용해 실리카를 실리콘으로 일정 온도 이상에서 환원시킬 수 있다.

4. 금속할로젠화물(Metal halide)

지구상에 존재하는 금속 원소와 주기율표 내 17족에 존재하는 원소가 결합한 화합물이다. 그 예로는 NaF, AlCl3 등이 있다.

5. 실시간 투과전자현미경(in situ TEM)

전자 빔을 시료에 쏘아 투과한 전자의 정보로 이미지를 읽는다. 전자가 공기 입자에 부딪히면 산란되므로 강한 진공 상태에서 전자 빔을 쏜다. 전자는 빛보다 파장이 짧아 광학현미경보다 고배율로 시료를 볼 수 있다. 이를 배터리 소재 분석에 적용해 충·방전 시 발생하는 입자의 구조적‧물리적 변화를 실시간으로 관찰할 수 있다.

6. 리튬 이온 전지

리튬 이온 전지는 2차 전지의 일종으로 리튬 이온이 음극과 양극을 오가며 충‧방전하는 전지다. 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] 그림 설명