저온에서 실리콘 대량생산 기술개발.. 대용량 배터리 활용 기대

곽상규 UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수 
박수진 포항공대 화학과 교수 공동 연구

곽상규 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수(왼쪽)와 박수진 포항공대 화학과 교수

【울산=최수상 기자】 대용량 배터리 소재인 실리콘을 저렴하게 대량으로 합성하는 기술이 개발됐다.

곽상규 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수팀은 박수진 포항공대 화학과 교수팀과 함께 저온에서 실리콘을 합성하는 기술을 개발하고, 원자 단위의 시뮬레이션으로 합성 원리를 규명했다고 9일 밝혔다.

이 기술은 전기차를 비롯한 중대형 기기의 대용량 배터리 제작에 활용될 것으로 기대된다.

현재 리튬이온 배터리의 음극 물질로는 흑연이 사용되지만, 대용량 배터리 수요가 늘면서 흑연보다 용량이 10배 이상 큰 실리콘이 대체물질로 주목받고 있다.

실리콘 생산을 위한 합성 방법으로는 '금속일 이용한 실리카(silica) 환원'이 널리 쓰이는데, 이 방법은 수백 도의 높은 온도가 필요해 비싸고 대량 합성이 어려운 한계가 있었다.

금속할로젠화물 촉매를 이용한 실리콘 합성 과정과 메커니즘 모식도: a는 저온에서 실리콘을 합성하는 과정이다. Raw materials은 실리카(silica)를 뜻하며 촉매로써 금속할로젠화물의 일종인 AlCl3가 도입될 때 일어나는 구조적 모식도를 보여준다. b는 금속할로젠화물이 어떻게 실리카를 실리콘으로 환원시키는지에 대한 메커니즘에 대한 모식도이다. 이 경우는 path a와 path b 두 가지로 일어날 수 있는 가능성을 보여준다. /사진=UNIST

연구진은 이 문제를 '금속할로젠화물 촉매'를 이용해 해결했다.

이 촉매로 금속과 실리카가 반응하는 데 필요한 활성화 에너지와 온도를 낮춰 실리콘을 쉽게 합성한 것이다.

특히 곽 교수팀은 이 현상을 원자 단위 시뮬레이션 과정으로 분석해 저온 합성 과정의 메커니즘을 규명, 실리콘 음극 소재의 대량 생산 가능성을 증명했다.

연구진은 저온 합성법으로 생산한 실리콘 음극 소재로 배터리를 만들어 충·방전 실험을 했는데, 수백 회 충·방전을 반복해도 안정적인 전기화학적 특성을 보였다고 밝혔다.

곽 교수는 "낮은 온도에서 실리콘을 형성하는 방향에 대한 이론적 근거를 제시한 연구다"라면서 "실리콘뿐 아니라 다른 금속산화물에도 금속할로젠화물을 촉매로 적용할 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구는 화학 분야 학술지인 '커뮤니케이션스 케미스트리'(Communications Chemistry) 6일 자에 게재됐다.

[e-mail] 최수상 기자