국내서 리튬이온전지 성능 확 끌어올렸다…“10분 충전 시 4배 이상 고용량”

조선비즈
  • 김태환 기자
    입력 2019.06.03 14:05

    국내 연구진이 휴대폰 보조 배터리 등 일상 생활에서도 많이 사용하는 리튬이온전지의 용량과 충전속도를 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 리튬이온전지의 용량을 늘리고, 충전속도를 빠르게 할 경우, 더 멀리 가면서도 급속 충전이 가능한 전기차에 활용할 수 있다.

    울산과학기술원(UNIST)은 이준희 에너지및화학공학부 교수팀과 박수진 포항공과대학교(POSTECH) 화학과 교수팀이 ‘저온에서 황이 도핑(Doping)된 실리콘을 합성하는 기술’을 개발했다고 3일 밝혔다.

    실리콘 도핑 과정 모식도와 구조. (a),(b)에서 황 사슬의 형태로 도핑이 형성되는 것을 알 수 있다. (c)는 도핑된 실리콘을 투과 전자현미경으로 본 모습. (d)는 Si 실리콘을, (e)는 S 황을 나타낸다. /울산과학기술원 제공
    도핑은 물질에 불순물을 첨가하는 공정으로 전기적 특성을 높이는 방법이다. 연구팀은 이 방법을 이용해 전기차 배터리의 용량과 충전속도를 높일 소재로 꼽히는 실리콘에 전기 전도도를 높였다.

    현재 리튬이온 배터리의 음극 소재는 흑연이다. 그러나 흑연은 이론적 용량면에서 한계가 있다. 실리콘은 용량과 충전 속도 등에서 이 흑연을 대체할 후보소재이지만, 전기 전도도가 낮고 충·방전 시 부피 변화가 커서 잘 깨진다는 문제가 있었다.

    연구진은 우선 금속할로겐화물 촉매로 ‘이산화규소(SiO₂, silica)’와 ‘마그네슘 설페이트(MgSO₄, Magnesium sulfate)’를 환원시켜서 원자 단위의 ‘실리콘/황 화합물(Seed)’를 만들었다. 이 물질들은 무작위로 뒤섞이고 재결정화 과정을 거쳐 최종적으로 황이 균일하게 도핑된 실리콘 입자로 합성됐다.

    이 실리콘 물질은 전기 전도도가 향상돼 고속충전이 가능했다. 내부를 살펴보니 재합성된 과정에서 황의 사슬이 길게 도핑돼 리튬 이온의 확산속도를 높이는 데 기여한 것이다. 이는 실리콘이 흑연보다 더 많은 용량을 가지면서도 고속 충전이 가능한 배터리 개발에 사용될 수 있다는 의미다.

    공동 제1저자인 서지희 UNIST 석사과정 연구원은 "실리콘 구조를 전혀 변형하지 않고 도핑할 수 있는 차별성을 가진다"며 "상용화된 리튬 이온 배터리 평가 조건에서 검증한 결과, 10분만 충전해도 흑연의 4배 이상 용량을 유지했다"고 했다.

    제1저자인 류재건 PSTECH 박사 후 연구원도 "반응 시작부터 황을 도입하는 방식을 써서 실리콘 입자에 균일하게 황을 도핑하는 데 최초로 성공한 것"이라며 "이 방식으로 합성된 반금속 실리콘은 전기 전도도가 50배 이상 향상돼 고속충전이 가능했다"고 말했다.

    이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단의 지원으로 수행됐으며, 세계적 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’에 5월 28일자로 실렸다.

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