전기車 고속충전시대 열 ‘반금속 실리콘’ 개발

류재건 포스텍 박사후 연구원, 이준희 UNIST 교수, 서지희 UNIST 석사과정 연구원, 이호식 UNIST 연구조교수/사진=UNIST

국내연구진이 차세대 리튬이온배터리 소재인 실리콘의 낮은 전기 전도도를 개선할 있는 기술을 개발했다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지및화학공학부 이준희 교수와 포스텍 화학과 박수진 교수로 이뤄진 공동연구팀이 ‘저온에서 황이 도핑된 실리콘을 합성하는 기술’을 개발했다고 3일 밝혔다.


또 이 물질을 원자 단위에서 시뮬레이션해 ‘반금속 성질’을 가지는 걸 확인했다. 반금속은 비금속과 금속의 중간 성질을 가지는 물질로 비금속보다 전기 전도도가 높다. 비금속(반도체)인 실리콘에 황을 도핑함으로써 전기 전도도를 높인 것이다.

현재 리튬이온배터리의 음극 소재로 전기 전도도가 높은 흑연을 쓴다. 하지만 흑연은 이론적으로 용량 한계가 있어 대체 소재 개발이 진행 중이다. 실리콘이 후보 중 하나지만 전기 전도도가 낮은 데다 충·방전 시 부피 변화가 커 잘 깨진다는 문제가 있었다.

연구팀은 이런 실리콘의 단점을 해결하는 ‘1% 도핑법’을 개발했다. 저온에서 대량의 실리콘 입자에 황을 도핑하는 방법을 제안한 것이다.


이 방식으로 합성된 ‘반금속 실리콘’은 탄소 없이도 전기 전도도가 향상돼 고속충전이 가능하다. 기존에는 실리콘의 전도도를 개선하기 위해 탄소를 섞었는데 그럴 필요가 없어진 것이다. 이번 연구로 손쉽게 반금속 실리콘을 만들게 됐다고 연구팀은 설명했다.

연구진은 우선 금속할로젠화물 촉매로 이산화규소와 마그네슘 설페이트를 환원시켜서 원자 단위의 ‘실리콘·황 화합물’을 만들었다. 이 물질들이 무작위로 뒤섞이면서 재결정화 과정을 거치며, 최종적으로 황이 균일하게 도핑된 구조의 실리콘 입자가 합성된다.

연구팀은 “반응 시작부터 황을 도입하는 방식을 써서 실리콘 입자에 균일하게 황을 도핑하는 데 최초로 성공했다”며 “이 방식으로 합성된 반금속 실리콘은 전기 전도도가 50배 이상 향상돼 고속충전이 가능했다”고 말했다.

특히 반금속 실리콘은 내부에 황 사슬도 길게 도핑돼 리튬 이온의 확산속도를 높이는 데도 기여한다. 실리콘과 황 원자, 또 황 사슬이 치환되면서 전기 전도도와 리튬 이온 확산속도를 모두 높이는 것이다. 이는 고속충전이 가능한 고에너지 배터리 개발에 이상적인 물리적 성질로 평가된다.

연구팀이 상용화된 리튬 이온 배터리 평가 조건에서 검증한 결과, 10분만 충전해도 흑연의 4배 이상 용량이 유지됐다.

이준희 교수는 “반금속 실리콘 소재는 탄소의 도움 없이도 빠르게 충전되고 오랫동안 사용할 수 있는 음극 소재의 특성을 확보한 최초의 기술”이라며 “단 1%의 도핑으로 실리콘 전극이 가진 거의 모든 문제점을 해결했다”라고 강조했다. 이번 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 최신호에 게재됐다.