리튬배터리에서 실리콘 전극의 수명을 늘이는 방법

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KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-08
오래가면서 충전능력이 뛰어난 리튬 채충전 배터리에 개발에 도움이 되는 새로운 연구결과가 발표되었다. 저널 ACS Nano에 발표된 이번 연구는 코팅을 통해서 실리콘 전극의 충전능력과 지속능력을 향상시켜 기존의 그래파이트 전극을 대체할 수 있는 것으로 기대된다. “코팅이 어떠한 역할을 하는지를 이해하는 것은 실리콘 전극의 문제를 해결하는 데에 큰 도움이 된다”고 퍼시픽노스웨스트국립연구소(Pacific Northwest National Laboratory)의 Chongmin Wang 박사는 설명했다. 높은 전기 충전능력으로 인해서 실리콘은 리튬배터리 개발에서 가장 큰 관심거리 중 하나이다. 그래파이트 전극을 대체하여 기존의 충전능력을 최대 10배까지 향상시킬 수 있다. 그러나 실리콘 전극의 문제는 사용 기간이 짧다는 것이다. 수 십 차례의 사이클이 지나면 더 이상 전기를 저장할 수 없게 된다. 이는 실리콘이 스펀지와 같이 리튬을 어떻게 포함하는지와 관련이 있다. 전하를 충전할 때 리튬은 실리콘 전극에 침투하게 된다. 리튬은 실리콘을 원래의 크기보다 3배 정도 부풀게 만든다. 여러 가지 이유로 부풀어 오른 실리콘 전극에서는 균열이 생기면서 파괴가 발생한다. 연구진은 150나노미터 크기의 미세한 실리콘 구상입자로 만들어진 전극을 사용했다. 이러한 작은 크기는 실리콘이 매우 빠르게 충전되는데 도움이 되는 동시에 실리콘 전극의 균열을 억제하는 역할을 한다. 작년에 Chunmei Ban 박사와 그의 동료들은 실리콘 나노입자가 알루미늄 글리세롤로 만들어진 고무와 같은 코팅으로 실리콘 나노입자를 만들 수 있다는 것을 확인했다. 코팅된 실리콘 나노입자는 코팅되지 않은 것보다 5배 이상 지속되어 150 사이클이 가능하다는 것이 확인되었다. 연구진은 이러한 코팅이 어떻게 실리콘 나노입자의 성능을 향상시키는지를 알지 못했다. 나노입자는 표면이 강철과 같이 경도가 매우 높다. 지금까지 이러한 산화층이 전극의 성능을 어떻게 저해하는지를 알지 못했다. 또한 고무 코팅이 어떻게 그 성능을 향상시키는지를 알지 못했다. 연구진은 알루콘(alucone)이라고 불리는 실리콘 전극을 위한 새로운 코팅제를 개발했다. 연구진은 전자현미경을 통해서 충전과 방전이 진행되는 동안에 입자의 상태를 관찰했다. 연구진은 산화막이 실리콘이 팽창하는 것을 막으면서 리튬이 배터리 충전 시 입자를 얼마만큼 흡수하는지를 확인했다. 동시에 연구진은 알루콘 코팅이 입자를 부드럽게 하면서 리튬의 팽창과 수축을 좀더 용이하게 만든다는 것을 확인했다. 현미경 사진은 고무 알루콘이 딱딱한 산화물을 대체할 수 있다는 것을 보여주고 있다. 이러한 것은 실리콘이 충전과 방전이 진행되는 동안에 팽창과 수축으로 인한 균열이 발생하는 것을 막는데 도움이 된다. 이번 연구는 ACS Nano에 “In Situ Transmission Electron Microscopy Probing of Native Oxide and Artificial Layers on Silicon Nanoparticles for Lithium Ion Batteries”라는 제목으로 게재되었다. 그림. 알루콘이 코팅된 실리콘 나노입자는 수축과 팽창을 반복하는 사이에 균열이 발생하지 않는다. lengtheningt.png http://phys.org/news/2014-12-lengthening-life-high-capacity-silicon.html