리튬을 이용한 이차전지의 차세대전극물질로 각광받고 있는 나노구조실리콘전극이 순수 국내 연구진에 의해 개발되었다.

* 리튬이차전지 : 현재 이차전지 시장의 대부분을 차지하는 전지로, 한 번 쓰고 버리는 일차전지와는 달리 외부전원을 이용해 충전해서 반영구적으로 사용하는 전지

광주과학기술원(GIST) 김원배 교수(39세)와 남상훈 박사(33세, 제1저자)가 주도하고 정건영 교수가 참여한 이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 오세정)이 추진하는 중견연구자지원사업(핵심연구)과 선도연구센터(NCRC)사업의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 나노과학 분야의 권위 있는 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’지 온라인 속보(8월 30일자)에 게재되었다. (논문명 : Probing the Lithium Ion Storage Properties of Positively and Negatively Carved Silicon)

김원배 교수 연구팀은 나노박막 실리콘을 패턴공정기술로 변화시킨 후, 구조별 리튬저장특성과 차이점을 체계적으로 연구하였다.

실리콘은 상용 리튬이차전지의 음극소재로 사용되는 흑연보다 용량이 10배 이상 큰 차세대 전극물질이지만, 리튬과 만나면 부피가 4배가량 팽창되어 리튬의 저장능력을 급격히 감소시킨다는 단점이 제기되었다.

차세대 리튬이차전지용 전극소재를 연구하는 전 세계 연구자들은 실리콘의 형태나 크기 등을 바꾸어 나노실리콘(나노관, 나노구, 나노선, 나노기둥, 나노우물 등)의 흑연대체 가능성을 꾸준히 제시해 왔다. 그러나 지금까지 나노전극구조의 배열, 크기, 형태 등을 정형화하고 각 구조별 전극특성과 구조별 차이점을 체계적으로 고찰한 연구는 미비하였다.

따라서 연구팀은 규칙적으로 배열된 나노패턴의 구조조정이 가능한 레이저 간섭 리소그래피를 이용해 전극물질의 접촉면적과 부피를 조절하고, 여러 구조형상(나노박막, 나노우물, 나노기둥 등)에 따른 리튬의 저장특성과 전자전달의 효율변화를 정량적으로 분석하였다.

* 레이저 간섭 리소그래피 : 형성시킨 빛의 간섭패턴을 규칙적인 패턴으로 형성시키는 기술

김 교수팀이 실리콘박막에 형성한 나노구조실리콘전극(나노기둥과 나노우물 패턴구조)은 전해액과의 접촉 면적이 넓고 전극내부의 전자전달이 우수하여 용량과 성능이 크게 향상되었다.

연구팀이 개발한 나노구조실리콘전극으로 리튬이차전지를 제작한 후 평가한 결과, 현재 사용되고 있는 흑연에 비해 8배가량 용량이 증가되었다.

또한, 나노구조가 없는 일반 실리콘전극과 비교해도 용량이 2배 이상 증가되었고, 충‧방전특성 및 수명도도 크게 향상되었다.

김원배 교수는 “리튬이차전지의 차세대 음극소재로 알려진 실리콘의 나노구조별 리튬의 저장특성을 연구한 이번 연구결과는 차세대 리튬이차전지뿐만 아니라 에너지전환장치에도 다양하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.