전체기사 최신뉴스 GAM
KYD 디데이
산업 자동차

속보

더보기

'주름진 실리콘' 소재로 오래 쓰는 고성능 배터리 만든다

기사입력 : 2018년07월26일 18:00

최종수정 : 2018년07월26일 18:00

※ 본문 글자 크기 조정

  • 더 작게
  • 작게
  • 보통
  • 크게
  • 더 크게

※ 번역할 언어 선택

UNIST 박수진 교수팀, 차세대 음극소재 실리콘 안정성 높여
실시간 이미징 '물결치는 실리콘' 원리 규명…Nature Comm. 게재

[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 국내 학자들이 ‘주름진 실리콘’ 소재 기술로 깨지지 않고 배터리를 안정적으로 작동시키는 연구를 주도, 차세대 배터리 소재로 각광받는 실리콘의 활용에 한 발 더 다가서게 됐다는 평가다. 

26일 UNIST(울산과학기술원·총장 정무영)에 따르면 이 대학 에너지·화학공학부의 박수진 교수팀은 미국 북태평양국가연구소(PNNL)·펜실베이니아주립대와의 공동 연구를 통해 리튬 이차전지용 실리콘 소재의 수명을 향상시킬 기술을 개발했다.

연구진은 이 기술로 만든 실리콘 음극 소재의 충‧방전 과정을 실시간으로 관찰해 물결 모양의 주름 구조가 안정성을 높이는 원리도 규명했다.

이번 연구결과는 이날 세계적 권위지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 온라인 판에 게재됐다.

UNIST 에너지 및 화학공학부의 박수진(왼쪽) 교수와 류재건(오른쪽) 연구원

우리가 쓰는 리튬 이차전지는 음극 소재로 흑연을 사용한다. 그런데 전기차 등에서 고용량 배터리 수요가 늘자 실리콘이 주목받고 있다. 이론적으로 실리콘은 흑연보다 약 10배 이상 용량이 크고 작동 전압도 낮아 고에너지 배터리에 적합하기 때문이다. 고에너지 배터리란 단위 부피 당 에너지 밀도가 높은 배터리를 말한다. 배터리 숫자를 늘리지 않고 원하는 에너지를 얻을 수 있어 장점이 많다.

하지만 실리콘을 충전하면 약 3배 이상 부피가 팽창하면서 깨지거나 잘게 부서져 배터리 성능을 저하시켰다.

기존 해결책은 음극 내부에 실리콘이 팽창할 만큼의 여유 공간을 만들거나 실리콘을 단단한 물질로 둘러싸는 것이었다. 이런 방식은 제조과정이 복잡한 데다 실리콘의 고용량 특성도 보장하지 못했다.

이에 박수진 교수팀은 간단하고 값싼 방법으로 ‘깨지지 않는 대면적 이차원 실리콘’을 개발하고 성능 향상 원리를 규명했다.

연구진은 실리콘 나노시트(Silicon nanosheet)를 대면적으로 합성, 탄소층을 얇게 코팅해 ‘대면적 이차원 실리콘’을 만들었다.

주름 구조를 가진 새로운 실리콘을 음극 소재로 쓴 배터리는 충‧방전해도 터지거나 깨지지 않았다.

실시간 투과전자현미경(in situ TEM)으로 충‧방전 과정을 관찰한 결과, 주름 구조가 내부에 쌓인 힘을 손쉽게 방출시켜 안정적으로 팽창과 수축을 반복하는 게 입증됐다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해서도 같은 해석을 얻었다.

대면적 이차원 실리콘 소재(2DSi@C)의 합성 과정과 결과물: a는 실리콘 나노시트를 합성하는 과정이다. 정육면체 소금 결정에 실리콘을 코팅한 다음, 소금만 녹여내면 실리콘 나노시트가 만들어진다. b는 만들어진 실리콘 소재의 투과전자현미경(TEM) 이미지다. 왼쪽은 한쪽 폭이 5㎛ 정도인 대면적 실리콘 나노시트를 TEM으로 촬영한 모습이다. 어두운 색으로 보이는 부분이 대면적 실리콘 나노시트이고 아래쪽은 TEM의 시료를 두는 부분이 비친 것이다. 오른쪽에는 10㎚ 두께만큼 탄소층이 코팅된 이차원 실리콘 소재의 단면이다. 아래쪽에는 실리콘이, 위쪽에는 탄소가 위치한다.

박수진 교수는 “이 기술은 실리콘의 부피 팽창을 무조건 억제하는 게 아니라 자연스럽게 활용해 구조적으로 안정성을 높인 새로운 시도”라며 “게르마늄(Ge)이나 주석(Sn) 등 부피팽창률이 큰 다양한 배터리 소재에 적용할 수 있고, 플렉시블 이차전지 분야에도 새로운 역할을 할 것”이라고 말했다. 

 

kimys@newspim.com

[뉴스핌 베스트 기사]

사진
김주애, 아빠 따라 첫 외교무대 데뷔 [서울=뉴스핌] 이영종 통일전문기자 = 김정은 북한 국무위원장의 딸 주애(12)가 중국 방문길에 동행한 것으로 확인됐다. 북한 관영 조선중앙통신은 2일 밤 김정은의 베이징역 도착 소식을 전하면서 3장의 사진을 공개했다. [서울=뉴스핌] 이영종 통일전문기자 = 김정은 북한 국무위원장이 2일 오후 전용열차 편으로 베이징역에 도착해 중국 측 인사들의 환영을 받고 있다. 김정은 뒤편으로 딸 주애(붉은 원)와 최선희 외무상이 보인다. 김주애가 해외 방문에 나선 건 이번이 처음이다. [사진=조선중앙통신] 2025.09.02 yjlee@newspim.com 여기에는 환영나온 왕이 외교부장 등 중국 측 인사와 만나는 김정은 바로 뒤에 서있는 딸 주애가 드러난다. 김주애가 해외 방문에 나선 건 지난 2022년 11월 공개석상에 등장한 이후 처음이다. 김주애는 검은색 바지 정장 차림으로 김정은을 따라 전용열차에서 내렸고, 그 뒤는 최선희 외무상이 따랐다. 그러나 붉은 카페트를 걸어가는 의전행사에는 빠져 공식 수행원에 명단을 올리지는 않을 것으로 보인다. 김주애가 중국 전승절(3일) 행사참석을 위해 방중한 김정을을 수행함으로써 그의 후계자 지명 관측에는 더 힘이 실릴 것으로 보인다.  또 시진핑 국가주석 등 중국 지도부와 김정은이 만나는 자리에 주애가 동행할 가능성이 높다는 점에서 '알현 행사' 성격을 띠게 될 것이란 관측도 나온다. yjlee@newspim.com 2025-09-02 22:00
기사 번역
결과물 출력을 준비하고 있어요.
기사제목
기사가 번역된 내용입니다.
종목 추적기

S&P 500 기업 중 기사 내용이 영향을 줄 종목 추적

결과물 출력을 준비하고 있어요.

긍정 영향 종목

  • Lockheed Martin Corp. Industrials
    우크라이나 안보 지원 강화 기대감으로 방산 수요 증가 직접적. 미·러 긴장 완화 불확실성 속에서도 방위산업 매출 안정성 강화 예상됨.

부정 영향 종목

  • Caterpillar Inc. Industrials
    우크라이나 전쟁 장기화 시 건설 및 중장비 수요 불확실성 직접적. 글로벌 인프라 투자 지연으로 매출 성장 둔화 가능성 있음.
이 내용에 포함된 데이터와 의견은 뉴스핌 AI가 분석한 결과입니다. 정보 제공 목적으로만 작성되었으며, 특정 종목 매매를 권유하지 않습니다. 투자 판단 및 결과에 대한 책임은 투자자 본인에게 있습니다. 주식 투자는 원금 손실 가능성이 있으므로, 투자 전 충분한 조사와 전문가 상담을 권장합니다.
안다쇼핑
Top으로 이동