차세대 배터리 소재 실리콘, 저비용 대량합성 기술 개발

UNIST-POSTECH-PNNL 공동연구
원자 단위 시뮬레이션 합성원리 규명
저온 합성 실리콘 형성 과정에 대한 메커니즘.<사진= UNIST 제공>저온 합성 실리콘 형성 과정에 대한 메커니즘.<사진= UNIST 제공>

차세대 배터리 소재로 꼽히는 실리콘을 저렴한 비용에 대량합성하는 기술이 개발됐다.

UNIST(총장 정무영)는 곽상규 에너지·화학공학부 교수 연구팀이 박수진 POSTECH 화학과 교수, 미국 북태평양 국가연구소(PNNL) 연구팀과 공동으로 저온에서 실리콘 합성기술을 개발, 원자 단위 시뮬레이션으로 합성 원리를 규명했다고 9일 밝혔다.

기존 배터리 소재로는 흑연이 주로 사용된다. 하지만 전기차와 같은 중대형 기기에 사용되는 대용량 배터리의 수요가 늘면서 흑연보다 10배 이상 용량이 큰 실리콘이 대체 물질로 주목받고 있다. 
  
이에따라 다양한 합성법으로 실리콘이 생산되고 있다. 가장 많이 쓰이는 방법은 '금속을 이용한 실라카(Silica) 환원'이다. 이는 합성과정에서 수백도의 높은 온도가 필요해 비용이 많이들고 대량 합성도 어렵다.

연구팀은 '금속할로젠화물 촉매'를 이용해 실리콘 합성 온도를 낮춰 문제를 해결했다. 곽상규 교수 연구팀은 원자 단위 시뮬레이션 과정으로 이 현상을 분석해 저온 합성 과정 메커니즘을 규명했다. 금속할로젠화물 촉매가 도입되면서 금속과 실리카 반응에 활성화 에너지가 낮아져 실리콘이 쉽게 합성된 것.

금속할로젠화물은 녹는점이 낮아 실리카에서 산소를 떼어내는 환원 반응 온도를 낮춘다. 또 환원 반응에 참여해 실리콘 생성 속도를 촉진시킨다.

연구팀은 저온 합성법으로 만들어진 실리콘으로 배터리를 만들고, 충·방전 실험을 진행했다. 그결과 수백 회 이상 충·방전을 반복해도 안정적인 전기화학적 특성이 보임을 밝혔다.

공동 제1저자인 송규진 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정생은 "실리콘 합성이 낮은 온도에서 이뤄지는게 확인됐다"면서 "이는 실리콘 대량 생산 가능성을 보여준 것"이라고 말했다.

또 다른 공동 제1저자인 류재건 UNIST 에너지공학과 박사는 "실시간 투과전자현미경을 통해 충·방전 과정 동안 저온 합성된 실리콘의 구조적 안정성을 증명했다"며 "이를 통해 차세대 음극 소재로 저온 합성 실리콘이 적합함을 보였다"고 강조했다.

곽상규 교수는 "금속할로젠화물을 이용한 합성법의 메커니즘을 규명함으로써 실리콘 저온 합성법의 이론적 근거를 제시한 연구"라고 평가했다.

박수진 교수는 "금속할로젠화물은 금속의 용융을 촉진할 뿐 아니라 시작하도록 돕고, 실리콘 구조 형성에도 큰 역할을 할 수 있다"면서 "실리콘뿐 아니라 다른 금속산화물에도 촉매로 적용 가능할 것"이라고 전망했다.

한편, 이번 연구는 결과는 과학출판그룹인 '네이처 퍼블리싱 그룹'(Nature Publishing Group)에서 발행하는 '커뮤니케이션스 케미스트리(Communications Chemistry)'에 지난 6일자로 게재됐다.
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