고성능 실리콘-탄소 음극재 개발
고성능 실리콘-탄소 음극재 개발
  • 함예솔
  • 승인 2020.03.22 17:15
  • 조회수 899
  • 댓글 0
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요약

 

고성능 실리콘-탄소 음극재가 개발됐습니다. 실리콘의 높은 에너지 저장 능력과 탄소의 탄성을 결합한 새로운 복합체라고 하는데요. 실리콘과 탄소를 동시에 합성해 시간과 비용을 절감하는 간단한 방법을 발견했습니다. 개발된 실리콘-탄소 복합체 제조법은 범위가 제한되어 있지 않고 다양한 수정과 변형이 가능합니다. 

한국해양대학교 강준 교수 연구팀은 고성능 실리콘-탄소 음극재를 개발했습니다. 실리콘의 높은 에너지 저장 능력과 탄소의 탄성을 결합한 새로운 복합체라고 합니다. 해당 연구는 <Materials>에 게재됐습니다.

 

충전 가능한 이차 전지, 수명 높이려면

 

볼타가 전지를 발명한 후 이온이나 전기에너지를 저장하는 재료의 성능 연구가 활발히 진행됐습니다. 특히 휴대용 에너지에 대한 수요가 증가함에 따라 충전이 가능한 이차 전지가 개발됐습니다. 이차 전지 연구의 꽃은 이번에 노벨상을 받은 '리튬 이온 전지'입니다. 이 기술은 휴대폰, 태블릿, 전기차 등 우리의 일상생활과 밀접한 관련있습니다.

 

리튬 이온 전지를 이해하려면 휴대 전화를 생각하면 되는데요. 우리는 하루 종일 사용한 휴대 전화를 다시 충전해서 사용합니다. 휴대 전화를 충전할 때 이온은 양극에서 음극으로 흐르며 사용할 이온은 음극에 저장합니다. 이 과정을 충전한다고 표현하며 저장된 이온이 음극에서 양극으로 모두 이동하고 난 상태를 방전이라고 합니다. 이때 이온의 흐름을 다시 반대로 바꿔 주면 휴대 전화가 다시 충전됩니다.

 

일반적으로 음극에는 흑연이 사용되지만 흑연이 저장할 수 있는 이온의 수에 제한이 있습니다. 이에 에너지 저장량이 높고 많은 이온을 저장할 수 있는 실리콘 기반의 음극재가 흑연을 대체할 효율적이고 지속가능한 대안으로 등장했습니다. 그러나 리튬 이온이 충전되는 과정에서 실리콘 기반 음극재의 부피는 기존에 비해 4배까지 팽창하고 이 팽창은 전지의 수명에 큰 영향을 미칩니다.

 

실리콘에 탄소를 결합해 실리콘-탄소 복합체를 만들면 실리콘의 장점(높은 에너지 저장 능력)과 탄소의 장점(탄성)을 모두 얻어 이 문제를 극복할 수 있습니다. 그러나 이 복합체를 제작하기 위해서는 시간과 비용이 많이 들기 때문에 광범위하게 적용하기 어렵습니다.

 

실리콘과 탄소 동시에 합성해 시간·비용↓

 

이 문제를 해결하기 위해 한국해양대학교 강준 교수 연구팀은 실리콘과 탄소를 동시에 합성해 시간과 비용을 절감하는 간단한 방법을 발견했습니다.

리튬 전지용 고성능 음극을 만들기위한 실리콘과 탄소의 결합. 출처:한국해양대학교
리튬 전지용 고성능 음극을 만들기위한 실리콘과 탄소의 결합. 출처:한국해양대학교

실리콘과 탄소를 포함하는 용액에 펄스화된  Bipolar 직류전원을 인가하면, 이온은 가속되지 않고 전자만 가속되는 차가운 플라즈마가 형성됩니다. 이 플라즈마 방전을 통해 실리콘과 탄소 전구체가 분해 후 폴리머화 되면서 탄소재료 내에 실리콘 나노 입자가 고르게 퍼지는 형태의 복합소재가 합성됩니다. 따라서 충전과 방전이 여러 번 진행되더라도 안정적인 성능을 가진 실리콘-탄소 복합체가 만들어지게 됩니다. 

 

강준 교수는 "실리콘과 탄소를 동시에 생산하고 탄소가 고르게 분포한다는 것은 대량생산이 가능한 효과가 있다"며 "이 제조법이 실리콘-탄소 복합체 제작의 시간과 비용을 크게 줄일 것으로 기대한다"고 전했습니다. 

 

리튬 이온 전지는 크기와 부피가 작기 때문에 오늘날 우리 생활에 없어서는 안 되는 존재가 됐습니다. 이 연구에서 개발된 실리콘-탄소 복합체 제조법은 범위가 제한되어 있지 않고 다양한 수정과 변형이 가능합니다. 특히 실리콘과 탄소의 결합은 세계를 화석 연료 의존 상태에서 구출해 내는데 도움이 될 전망입니다. 


##참고자료##

 


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