한양대 화학분자공학과 유원철 교수팀이 고에너지 밀도를 갖는 실리콘 기반 리튬이온전지를 개발했다고, 한양대가 18일 밝혔다. 연구팀이 개발한 실리콘(이론용량 4200 mAh/g) 음극재는 기존 그래파이트(이론용량, 372 mAh/g) 음극재에 비해 10 배 이상의 이론용량을 가지고 있어 차세대 리튬이온 배터리(이하 LIB)로 주목을 받고 있다.

높은 이론용량을 갖는 실리콘 기반 LIB의 경우 높은 부피팽창(약 300%)과 낮은 전기전도도 등의 단점을 가진다. 이를 극복하고자 전 세계의 연구자들은 지난 10여년간 나노 구조체를 사용하려했으나 높은 tap 밀도, 낮은 표면적, 높은 로딩레벨, 높은 면적당 용량 등 실제 산업체에서 사용되기 위해 고려돼야 할 이슈들 때문에 새로운 접근방법의 필요성이 대두됐다.

이러한 단점을 해결하고자 유 교수팀은 주름지고 다중 층으로 이뤄진 그래핀(wrinkled-multilayered-graphene (WMG))을 사용, 마이크론 크기의 실리콘을 이용하면서 부피팽창 및 낮은 전도도의 단점을 개선하는 연구를 진행했다.

그래핀은 전도성이 높은 2차원 물질이기 때문에 기계적 성질이 우수하다고 평가받으며 다양한 분야에서 사용이 되고 있다. 하지만 충·방전시 일어나는 실리콘의 높은 부피팽창을 수용하기 위해 더 개선된 물리적인 변형력을 가져야하며, 활물질인 실리콘과 화학적으로 잘 부착해 연속적인 충·방전 사이클에도 성능저하가 피해야했다.

이를 위해서 유 교수팀은 주름지고 다중 층으로 이뤄진 그래핀 산화물 (wrinkled-multilayered-graphene oxide (WMGO))을 통해 그래핀 산화물 수용액의 농도를 조절해 합성했다.

높은 농도의 그래핀 산화물 수용액은 파이-파이 스태킹을 통한 그래핀 산화물 층의 수가(10 nm 미만의 두께) 상대적으로 낮은 농도에 비해서 제한되기에 두꺼운 두께의 그래핀 다중 층 보다 쉽게 주름진 구조를 가지게 됨을 밝혔다.

이렇게 주름지고 얇은 다중 층을 갖는 WMG 의 경우, 그래핀 보다 더욱 개선된 물리적인 변형력을 가지게 된다. 이렇게 합성된 WMGO를 이용해 실리콘과 복합체(실리콘-WMGO)를 합성했으며 WMGO의 경우, 카르복실릭 산, 페놀릭 산 등 표면에 다양한 산소를 포함한 화학적 기능화 그룹이 존재하기 때문에 실리콘 표면에 고유하게 존재하는 실리카와 수소결합을 통해서 접착력이 우수한 실리콘-WMGO를 합성 할 수 있었다.

그 결과 연구진은 열적 환원 과정을 거쳐 실리콘-WMG를 합성해 전도성이 우수한 그래핀을 합성 했고, 주름지고 얇은 두께의 다중 층으로 인해 충·방전시 일어나는 실리콘의 높은 부피팽창을 효율적으로 버퍼링 하는 것을 확인했다.

마이크론 실리콘을 이용한 실리콘-WMG의 경우, 낮은 속도의 충·방전 시 아주 높은 초기 면적당 용량값(12.5 mAh/cm2 @0.1 C)을 보였으며, 고속 충·방전 시에도 높은 면적당 용량값(7.1 mAh/cm2 @2 C)을 보였다. 특히 고속 충방전으로 240 사이클을 구동하였음에도 높은 면적당 용량값(5.3 mAh/cm2 @2 C for 240 cycles)을 보여 실리콘-WMG 복합체가 다양한 충방전 조건에서도 안정적으로 작동이 됨을 보고하였다.

유원철 교수는 “이번 연구를 통하여 탄소 중립을 통한 지구 온난화 저감을 위해 필수적인 차세대 에너지저장 물질의 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 소감을 전했다.

이번 연구는 엘지화학, 과학기술정보통신부가 시행하는 기초연구사업 (중견연구), 경기도 지역연구센터 (GRRC)에서 지원을 받아 진행됐으며, 연구의 결과 (논문명: High-Areal-Capacity of Micron-Sized Silicon Anodes in Lithium-Ion Batteries by Using Wrinkled-Multilayered-Graphenes)는 에너지저장 관련 세계적인 학술지인 [Energy Storage Materials, IF: 20.831]에 최근 게재됐다.