KBSI, 리튬이온전지에 실리콘 상용화 실현한다!

금속나노틀 기반 리튬이온전지 실리콘 음극소재의 변형율 정량화 성공

[사진=강릉기초과학연구원 제공]

아주경제 박범천 기자 = 한국기초과학지원연구원(이하 ‘KBSI’) 강릉센터 조지웅 박사팀은 미국 일리노이대·노스웨스턴대·아르곤연구소와의 공동연구를 통해 리튬이온 충방전 시 실리콘(Si)의 3차원 나노금속틀에 작용하는 응력과 변형과의 상관관계를 밝혀 이를 정량화하는데 성공했다고 8일 밝혔다.

이번 연구 성과는 에너지 분야 세계유수 학술지인 ‘어드벤스드 에너지 머테리얼스(Advanced Energy Materials)誌 5월 26일자 온라인판 (논문명: In Operando Strain Measurement of Bicontinuous Silicon Coated Nickel inverse Opal Anodes for Li-ion Batteries, IF=14.386)에 게재됐다.

리튬이온전지의 음극소재로 각광받고 있는 실리콘(Si)은 리튬이온 충방전 시에 발생하는 부피변화로 인해 상용화에 어려움이 있었다. 이번 연구성과로 앞으로는 리튬이온전지에서 실리콘을 음극재료로 상용화 할 수 있는 기반이 마련되었다.

이번 연구는 기존의 주사전자현미경, 투과전자현미경, 원자현미경 등을 이용하여 재료의 표면에 발생하는 변형만을 분석하는 기존의 연구방법에서 탈피해 시료 내부에서 발생하는 전체적인 변형까지 분석할 수 있는 ‘입자가속기(Synchrotron)를 이용한 X선 회절법(X-ray diffraction)’을 활용해 연구에 성공하였다.
 

리튬이온 충방전 시 실리콘(Si)의 3차원 나노금속틀에 작용하는 응력과 변형과의 상관관계를 밝혀 이를 정량화한 연구관련 이미지 [사진=강릉기초과학연구원 제공]

특히 이번 연구에 사용 된 ‘입자가속기(Synchrotron)를 이용한 X선 회절법(X-ray diffraction)’은 반도체 및 세라믹 등의 신소재분야 뿐만 아니라 환경소재, 나노-바이오 융합소재 및 의료, 진단 분야에 이르기 까지 폭넓은 연구분야에서 활용될 수 있을 것으로 전망된다.

조지웅 한국기초과학지원연구원(KBSI) 박사는 “이번 연구 성과를 통해 실리콘소재를 활용한 리튬이온전지의 변형률 및 응력분포를 충방전 시 실시간으로 분석할 수 있게 되어 향후 실리콘을 음극소재로 활용한 연구에 신뢰성 높은 정보를 제공할 수 있게 되었다”며, “이를 기반으로 3차원 나노구조를 활용한 실리콘 리튬이온전지의 상용화에 기여할 수 있게 되었다”고 기대했다.