한국인 연구진이 실리콘 물질을 활용해 더 큰 용량의 리튬이온전지를 개발할 수 있는 단서를 발견했다.

한국연구재단은 미국 스탠퍼드대의 추이이 교수팀에 속한 이석우 선임연구원과 이현욱 박사후연구원(공동 제1저자)이 리튬이온전지의 차세대 음극 소재로 주목받는 실리콘 물질을 더 크게 만들 수 있는 방법을 찾았다고 7일 밝혔다.

실리콘은 리튬이온전지의 차세대 음극 소재로 주목받는 물질이다. 지금까지는 흑연이 음극 소재로 쓰였지만 실리콘은 이보다 용량이 10배 이상 크기 때문이다.

이런 깨짐 현상을 막기 위해 지금까지의 연구는 입자를 나노[187790] 크기로 만들기 위한 것이었으나 이는 비용이 많이 든다는 문제가 있었다.

연구진은 실리콘 물질 간 상호작용에 주목해 이 물질을 여러 개의 나노 필라(실리콘 웨이퍼를 나노 크기로 만든 기둥)로 만들고 시뮬레이션을 하면서 '인시추(in-situ) 투과전자현미경'을 활용해 관찰했다.

그 결과 실리콘 물질들을 적당한 간격으로 배열해놓은 뒤 충전하면 실리콘 입자가 결정 방향으로 부풀어 오르다가 옆의 실리콘 물질에 가로막히면서 결정 방향과 수직 방향으로 부풀어오른다는 것을 발견했다.

단일 실리콘 입자는 결정 방향으로만 부풀어오르는 것과는 다른 양상을 보인 것이다.

이현욱 연구원은 "이처럼 상호작용을 하도록 실리콘 입자를 배열하면 큰 실리콘 입자도 깨지지 않도록 하면서 충·방전을 할 수 있었다"며 "상호작용을 하는 경우 10배에서 50배까지 실리콘 입자를 크게 만들 수 있는 것으로 나타났다"고 말했다.

이처럼 큰 실리콘 입자를 사용할 수 있게 되면 더 큰 용량의 리튬이온전지를 제조할 수 있다.

이 연구원은 "실리콘 상호작용의 특성을 활용하면 실리콘 입자를 나노 크기로 만들지 않으면서 실리콘을 리튬이온전지의 음극 소재로 상용화하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

이 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 학문후속세대양성사업의 지원으로 수행됐으며 연구 결과는 지난달 26일자 '네이처 커뮤니케이션스' 온라인판에 실렸다.