한 번 충전으로 기존 휴대기기용 리튬2차전지보다 8배 이상 저장능력을 높일 수 있는 기술이 개발됐다. 상용화에 성공하면 2차 전지 기술의 발전은 신재생에너지의 활용에 획기적인 전기를 마련할 것으로 보인다.
한양대 응용화학과 조재필 교수팀은 리튬2차전지 저장능력 한계를 뛰어넘는 신음극재료인 ‘3차원 다기공 실리콘 분말’ 개발에 성공했다고 10일 밝혔다.
실리콘과 리튬이 반응해 일어나는 부피팽창을 완화할 수 있는 대안을 마련했다는 점에서 주목되는 연구 결과다. 조 교수팀은 실리콘에 실리카(이산화규소)를 넣고, 불화수소산(HF)용액으로 실리카만 녹여냄으로써 크기 200나노미터(㎚·10억분의 1m), 두께 40㎚ 크기의 많은 기공이 있는 3차원 다기공 실리콘 분말을 개발, 전지 개발에 사용했다. 이 분말은 실리콘이 리튬과 반응할 때 발생하는 부피 팽창을 완화해 실리콘이 부서지는 문제를 방지한다.
리튬2차전지는 현존하는 전지 중 가장 발전된 형태로 평가받지만, 흑연을 음극재료로 쓰면서 노트북PC는 2시간 정도밖에 사용할 수 없는 등 사용시간에 제약이 있었다. 리튬이온의 저장능력을 극대화하기 위해 반도체성 실리콘 금속을 이용한 연구가 세계적으로 진행돼 왔지만, 실리콘이 리튬과 반응하면서 일어나는 부피팽창으로 인한 실리콘 입자의 분쇄화로 리튬전지 효율과 저장능력이 급격히 떨어지는 문제를 해결하지 못했다.
이번 연구결과는 전기에너지·태양광·풍력·조력 등 신재생에너지 저장에도 획기적인 영향을 미칠 것으로 보인다. 현재 신재생에너지 저장에 사용하고 있는 납축전지(과산화 납을 양극으로, 납을 음극으로 사용하는 2차전지)에 비해 6배가량 더 저장할 수 있어 효율적인 에너지 활용이 가능하기 때문이다.
조 교수는 “리튬과 실리콘 합성시 발생되는 전지의 저효율과 저장능력 감소 문제를 특수 처리한 실리콘을 통해 해결했다”며 “기존 리튬2차전지보다 8배 이상 저장이 가능하고, 90% 이상 고효율이 가능한 전지를 만들 수 있는 원천기술을 확보했다”고 설명했다.
한편 연구결과는 지난달 27일 응용화학저널 ‘앙게반테 케미(Angewandte Chemie)’ 국제판에 ‘주목할 만한 논문(HOT Paper)’으로 선정됐으며, 10일 온라인 판에도 게재됐다.
권건호기자 wingh1@etnews.co.kr
