KAIST(총장 강성모)는 EEWS 대학원 최장욱 교수와 생명화학공학과 박승빈 교수 공동연구팀이 왕겨내부에 존재하는 다공성 천연 실리카 물질을 분리·정제해 고용량 리튬이온 이차전지 음극소재인 3차원 다공성 실리콘 물질을 개발했다고 9일 밝혔다.
연구 결과는 자연과학분야 세계적 권위지인 미국국립과학원회보(PNAS) 9일자(한국시각) 온라인판에 게재됐다.
실리콘 소재는 용량이 기존 흑연 전극 대비 3~5배 크기 때문에 차세대 리튬이온 이차전지 음극으로 활발하게 연구되고 있는 재료다. 이러한 소재를 사용하면 리튬이차전지의 에너지 밀도가 높아져 소형전자기기용 이차전지의 사용시간이 약 1.5배 늘어날 것으로 기대된다.
특히 폐자원 혹은 저부가가치 산업에 적용되던 왕겨를 고부가가치화를 위한 에너지 자원 활용이라는 측면에서 이번 연구를 통한 기술력 확보는 학계 및 산업계에서 큰 파급효과를 일으킬 것으로 전망된다.
연구팀은 왕겨의 표피에 존재하는 다공성 실리카에서 3차원 구조의 다공성 실리콘 입자를 추출·합성했다. 이를 통해 기존 실리콘 기반 음극 소재가 가지고 있는 고질적인 문제점인 충·방전 시 부피의 팽창·수축으로 인한 미분화, 박리화 및 계면 불안정성 문제가 효과적으로 개선됨을 확인했다.
이를 통해 값 비싼 나노 구조 합성 공정을 사용하지 않고 저렴한 원료물질로부터 나노 구조의 실리콘 음극 활물질을 생산할 수 있게 됐다.
최장욱 교수는 "왕겨 표피로부터 만들어진 상호 연결된 다공 구조에 의해 실리콘의 부피 팽창을 효과적으로 제어해 우수한 용량 유지 특성 및 출력특성을 획기적으로 개선했다"며 "이에 따라 기존 실리콘 기반 리튬 이차전지가 가지는 한계를 용량·사이클 불안정성 등의 문제를효과적으로 극복할 수 있었다"고 말했다.
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