이현욱 교수팀 연구…액체 물질 실시간 관찰하는 신기술도 제시 논문 2편 학술지 '나노 레터스'에 잇달아 발표
울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 이현욱 교수 연구팀이 국제 학술지 '나노 레터스'(Nano Letters)에 배터리 개발 관련 논문 2편을 잇달아 발표했다고 12일 밝혔다.
첫 번째 논문에서는 차세대 배터리의 음극 소재(음극재)로 꼽히는 실리콘의 온도별 충·방전 특성을 분석했고, 두 번째 논문에서는 투과전자현미경(TEM)으로 액체 물질을 실시간으로 관찰하는 신기술을 제시했다.
첫 번째 논문 내용을 보면 실리콘은 상용화된 음극재인 흑연보다 10배 정도 용량이 커 고용량 배터리 소재의 후보로 손꼽히지만, 충전과 방전을 반복할수록 팽창하면서 단일 입자와 전자가 파괴된다는 단점이 있다.
연구팀은 실리콘을 차세대 음극재로 쓰려면 부피 팽창에 대비한 구조적 안정성을 확보하는 것이 최우선 과제라고 보고 온도별 부피 팽창과 파괴 거동을 분석했다.
연구팀은 방향성이 다른 3종류의 단결정 실리콘 웨이퍼에 전자빔으로 다양한 지름의 실리콘 나노 기둥을 제작한 후 기둥을 중심으로 배터리 셀을 조립해 전기를 충·방전하며 리튬과 실리콘 웨이퍼의 전기화학반응을 살폈다.
그 결과 높은 온도에서는 부피 팽창 방향성이 줄어들었고, 0도 이하에서는 팽창 방향성이 증가해 나노 기둥이 쉽게 파괴됐다고 연구팀은 설명했다.
연구팀은 영하 20도 이하의 저온 환경에서 리튬 충·방전을 거친 실리콘 나노 기둥의 파괴 거동도 분석했는데, 상온에서 리튬 이온을 두 번 충전해도 비교적 안정적이었던 300㎚(나노미터·10억분의 1ｍ) 지름의 실리콘 나노 기둥이 저온 환경에서는 100% 파괴됐다.
이현욱 교수는 "겨울철 저온 환경에서 충·방전 시 실리콘 음극에서는 부피 팽창과 파괴가 나타날 수 있다"며 "저온에서 실리콘 음극의 기계적 거동을 규명하고, 파괴를 완화하는 방법을 개발하는 추가 연구가 필요할 것"이라고 말했다.
연구는 싱가포르 난양공대 이석우 교수팀과 공동으로 진행했으며, 한국에너지기술평가원 에너지 인력양성사업 프로그램의 지원을 받았다.
연구팀은 두 번째 논문에서는 단결정 그래핀을 이용해 액체 상태의 물질이 움직이는 모습을 투과전자현미경으로 원자 단위까지 관찰할 수 있는 새로운 방법을 제시했다.
투과전자현미경은 전자빔을 쏴 물질을 관찰하는 현미경으로, 광학현미경보다 수천 배가량 높은 배율로 물질을 관찰할 수 있다.
관찰 대상이 액체일 경우 증발하지 않도록 높은 진공 상태에 둬야 하는데, 약 50㎚ 두께의 '질화 실리콘 막'이나 탄소 원자 하나 두께의 그래핀을 이용해 액체를 감싸 내부 물질을 분석해왔다.
그러나 질화 실리콘 막의 두께가 관찰 대상을 가리는 수준이라 해상도 높은 이미지를 얻기 어려웠고, 그래핀을 사용하는 경우에도 액체를 가두는 부분의 모양과 위치, 크기가 달라져 일정한 조건에서 물질 관찰이 어려웠다.
연구팀은 이를 해결하고자 질화 실리콘 막의 원하는 위치에 수백㎚ 크기로 구멍을 일정하게 뚫은 뒤 단결정 그래핀을 합성해 코팅한 새로운 액체 캡슐을 개발했다.
이 캡슐은 질화 실리콘 막 보다 100배 얇고 3배 이상 강한 단결정 그래핀을 사용해 액체를 가둬 투과전자현미경 이미지의 해상도를 극대화할 수 있었다고 연구팀은 설명했다.
또 전자빔을 투과하는 액체의 두께가 기존보다 훨씬 얇아 가벼운 원소나 고분자, 바이러스 관찰에도 유리할 전망이다.
이 교수는 "그간 관찰하지 못했던 가벼운 화합물의 액상 합성 과정과 운동 메커니즘을 명확히 밝혀 배터리 물질 개발에 속도를 더할 것"이라고 말했다.
연구는 UNIST 에너지화학공학과 진성환 교수, 기초과학연구원(IBS) 로드니 루오프 다차원 탄소 재료 연구단장(UNIST 특훈교수)과 공동으로 진행했다.
헬로티 이동재 기자 |
