포스텍(한국과학기술원)의 소진박 교수, 제민 줘 박사과정 학생, 손혜빈 박사는 화학과에서 혁신적인 리튬이온 배터리 기술 개발에 성공하였다. 이들은 마이크로 실리콘 입자와 겔 폴리머 전해질을 사용하여 저비용이면서도 안정적인 차세대 고에너지 밀도 리튬이온 배터리 시스템을 개발하였다. 이 연구는 1월 17일에 Advanced Science 온라인 페이지에 게재되었다.
실리콘을 배터리 재료로 사용하는 것은 도전적인 과제가 따르는데, 충전 중에는 세 배 이상 팽창되고 방전 중에는 원래 크기로 변형되는 특징 때문에 배터리 효율에 부정적인 영향을 미친다. 나노 실리콘(10-9m)을 활용하면 이 문제를 해결할 수 있지만, 생산 과정이 복잡하고 매우 비용이 많이 들어가기 때문에 예산 문제로 인해 어려움을 겪고 있다. 이에 비해 마이크로 실리콘(10-6m)은 비용과 에너지 밀도 측면에서 훌륭한 실현 가능성을 가지지만, 팽창 문제는 더 커지기 때문에 아노드 재료로 사용하는 데 제약이 따른다.
연구팀은 겔 폴리머 전해질을 적용하여 경제적이면서도 안정적인 실리콘 기반의 배터리 시스템을 개발하였다. 리튬이온 배터리 내에서 전해질은 양극과 음극 사이의 이온 이동을 조 facilit와는 중요한 부품이다. 흔히 사용되는 액류 전해질과 달리 겔 전해질은 고체나 겔 상태로 존재하며 탄성을 가진 폴리머 구조를 가지므로 더 안정성을 지니고 있다.
연구팀은 일렉트론 빔을 사용하여 마이크로 실리콘 입자와 겔 전해질 사이에 공유 결합을 형성하였다. 이러한 공유 결합은 리튬이온 배터리 작동 중에 발생하는 체적 팽창으로 인한 내부 응력을 분산시켜 마이크로 실리콘의 부피 변화를 완화시키고 구조적 안정성을 향상시킨다.
연구의 결과는 놀랍다. 전통적인 나노 실리콘 아노드에서 사용되는 입자보다 100배 큰 마이크로 실리콘 입자(5μm)조차도 안정한 성능을 나타냈고, 연구팀이 개발한 실리콘-겔 전해질 시스템은 액류 전해질을 사용하는 전통적인 배터리와 비슷한 이온 전도도를 보여주었으며 에너지 밀도는 약 40% 개선되었다. 게다가 연구팀의 시스템은 쉽게 생산할 수 있는 간단한 제조 공정을 가지고 있어 즉각적으로 사용될 수 있는 가치를 가지고 있다.
소진박 교수는 다음과 같이 강조한다. “우리는 마이크로 실리콘 아노드를 사용하면서도 안정한 배터리를 개발하였다. 이 연구는 우리를 진정한 고에너지 밀도 리튬이온 배터리 시스템에 한 발 더 가깝게 만들었다.”
이 연구는 한국 국립 연구재단의 독립연구자 프로그램의 지원을 받아 수행되었다.
기사에 기반한 FAQ 섹션:
Q: 어떤 기술 개발이 성공적으로 이루어졌나요?
A: 한국과학기술원의 연구팀은 마이크로 실리콘 입자와 겔 폴리머 전해질을 사용하여 저비용이면서도 안정적인 차세대 고에너지 밀도 리튬이온 배터리 시스템을 개발했습니다.
Q: 왜 실리콘이 배터리 재료로 도전적인 과제인가요?
A: 실리콘은 충전 중에 팽창되고 방전 중에 원래 크기로 변형되는 특징 때문에 배터리 효율에 부정적인 영향을 미칩니다.
Q: 왜 마이크로 실리콘을 사용해야 하나요?
A: 마이크로 실리콘은 비용과 에너지 밀도 측면에서 훌륭한 실현 가능성을 가지지만, 팽창 문제로 인해 아노드 재료로 사용하는 데 제약이 따릅니다.
Q: 이 연구에서 어떤 전해질이 적용되었나요?
A: 연구팀은 겔 폴리머 전해질을 적용하여 경제적이면서도 안정적인 실리콘 기반의 배터리 시스템을 개발했습니다.
Q: 겔 전해질은 어떤 특징을 가지고 있나요?
A: 겔 전해질은 고체나 겔 상태로 존재하며 탄력을 가진 폴리머 구조를 가지므로 더 안정성을 지니고 있습니다.
Q: 어떤 공유 결합이 형성되었나요?
A: 연구팀은 일렉트론 빔을 사용하여 마이크로 실리콘 입자와 겔 전해질 사이에 공유 결합을 형성했습니다.
Q: 마이크로 실리콘과 겔 전해질 사이의 공유 결합이 어떤 역할을 하는가요?
A: 이러한 공유 결합은 마이크로 실리콘의 부피 변화를 완화시키고 구조적 안정성을 향상시켜 배터리의 성능을 개선시킵니다.
Q: 이 연구의 결과는 어떠한가요?
A: 연구팀이 개발한 실리콘-겔 전해질 시스템은 나노 실리콘 아노드와 비교하여 안정한 성능을 나타내고, 액류 전해질을 사용하는 전통적인 배터리와 비슷한 이온 전도도를 가지며 에너지 밀도가 약 40% 개선되었습니다.
Q: 이 연구의 중요성은 무엇인가요?
A: 연구팀의 시스템은 쉽게 생산할 수 있는 간단한 제조 공정을 가지고 있어 즉각적으로 사용될 수 있는 가치를 가지고 있습니다.
Q: 어떤 지원을 받아 이 연구가 이루어졌나요?
A: 이 연구는 한국 국립 연구재단의 독립연구자 프로그램의 지원을 받았습니다.
주요 용어의 정의:
– 리튬이온 배터리: 재충전이 가능한 배터리로, 이온 이동을 통해 전력을 저장하고 방출합니다.
– 마이크로 실리콘: 10-6m 크기의 실리콘 입자로, 배터리 재료로 사용 가능합니다.
– 나노 실리콘: 10-9m 크기의 실리콘 입자로, 배터리 재료로 사용 가능하지만 생산 과정이 복잡하고 비용이 많이 듭니다.
– 겔 폴리머 전해질: 고체나 겔 상태로 존재하는 폴리머 구조를 가진 전해질로, 안정성이 높습니다.
관련 링크:
– 포스텍: 화학과 연구 및 기술 개발을 수행하는 한국과학기술원의 공식 웹사이트입니다.
– Advanced Science: 이 연구가 게재된 학술 저널의 메인 도메인입니다.