8배 이상 오래가는 리튬이차전지 만든다

노트북 컴퓨터나 이동전화 등 휴대용 전자기기를 한번 충전해 지금보다 8배 이상 오래 사용할 수 있는 고효율 전지 원천기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한양대 응용화학과 조재필 교수팀은 10일 휴대용 전자기기에 사용되는 리튬이차전지의 저장 능력 한계를 극복할 수 있는 새로운 음극재료인 `3차원 다기공 실리콘 분말`을 개발했다고 밝혔다.

이 연구결과는 화학분야 국제학술지 `앙게반테 케미(Angewante Chemie)` 온라인판(10월 27일)에 `주목할만한 논문(Hot Papers)`으로 소개됐다.

리튬이차전지는 같은 부피로 최대 에너지효율을 낼 수 있어 가장 발전한 전지형태로 평가받고 있지만 효율이 낮은 흑연을 음극재료로 사용해 노트북의 경우 2시간 정도밖에 사용하지 못하는 등 사용시간 제약이 큰 단점으로 남아있었다.

이 때문에 과학자들은 흑연 대신 실리콘을 이용해 리튬이온의 저장능력을 극대화하는 연구를 해왔으나 실리콘은 리튬과 반응할 때 부피변화가 커 쉽게 부서지기 때문에 리튬전지의 효율과 저장능력을 높이는 데 문제가 있었다.

조 교수팀은 이번 연구에서 실리콘에 실리카(이산화규소)를 넣고 불화수소산(HF) 용액으로 실리카만 녹여냄으로써 크기가 200㎚(㎚=10억분의 1ｍ), 두께가 40㎚인 기공을 가진 `3차원 다기공 실리콘 분말`을 개발했다.

이 분말은 실리콘이 리튬과 반응할 때 발생하는 부피팽창을 완화해 실리콘이 부서지는 문제를 막아주는 역할을 한다고 조 교수는 설명했다.

조 교수는 "이 연구는 리튬과 실리콘 합성 시 발생하는 전지의 저효율과 저장능력 감소 문제를 특수 처리한 실리콘으로 해결한 것"이라며 "기존 전지보다 8배 이상 저장이 가능하고 효율도 90% 이상 높은 전지를 4~5년 안에 상용화할 수 있을 것"이라고 말했다.

연구진은 또 10㎚ 이하의 극미세선 다발 모양으로 만든 실리카 주형에 실리콘을 넣어 열처리한 다음 불화수소산(HF) 용액으로 실리카 주형을 제거하는 방법으로 저장능력이 3차원 다기공 실리콘 분말보다 뛰어난 실리콘 나노선 다발을 개발, 나노분야 학술지 `나노 레터스(Nano Letters)`에 보고했다.

조 교수는 "이 연구를 통해 개발한 기술에 대해 한국, 유럽, 미국에 특허를 4건 출원하고 현재 태양전지에 이 기술을 적용하는 연구를 하고 있다"며 "이 기술을 신재생에너지 저장에 적용해 에너지 효율을 극대화하는 연구에 집중할 계획"이라고 말했다.

<연합뉴스>