국내 연구진, 차세대 배터리 소재 '실리콘' 대량 합성 기술 개발

[이데일리 이연호 기자] 국내 연구진이 차세대 배터리 소재로 주목 받는 실리콘을 싸게 대량 합성할 수 있는 기술을 개발했다.

금속할로젠화물 촉매를 이용한 실리콘 합성 과정과 메커니즘 모식도. a는 저온에서 실리콘을 합성하는 과정이다. Raw materials은 실리카(silica)를 뜻하며 촉매로써 금속할로젠화물의 일종인 AlCl3가 도입될 때 일어나는 구조적 모식도를 보여준다. b는 금속할로젠화물이 어떻게 실리카를 실리콘으로 환원시키는지에 대한 메커니즘에 대한 모식도이다. 이 경우는 path a와 path b 두 가지로 일어날 수 있는 가능성을 보여준다. 모식도=UNIST.

UNIST는 에너지 및 화학공학부 곽상규 교수팀이 POSTECH 화학과 박수진 교수팀, 미국 북태평양 국가연구소(PNNL)와 공동으로 저온에서 실리콘을 합성하는 기술을 개발하고 원자 단위의 시뮬레이션으로 합성 원리를 규명했다고 9일 밝혔다. 이 결과는 세계적인 과학출판그룹인 네이처 퍼블리싱 그룹(Nature Publishing Group)에서 발행하는 ‘커뮤니케이션스 케미스트리(Communications Chemistry)’ 8월 6일자에 게재됐다.

현재 리튬 이온 배터리의 음극 물질로는 흑연이 사용된다. 하지만 전기자동차처럼 대용량 배터리 수요가 늘면서 흑연보다 용량이 큰 실리콘이 대체 물질로 주목받고 있다. 실리콘은 흑연보다 10배 이상 용량이 높기 때문이다.

이에 발맞춰 다양한 합성법을 통해 실리콘이 생산되고 있다. 가장 많이 쓰이는 방법은 ‘금속을 이용한 실리카(Silica)의 환원’이다. 그런데 이 과정은 수백도 이상의 높은 온도가 필요해 비싸고 실리콘의 대량 합성도 어려웠다.

이번 연구에서는 이 문제를 ‘금속할로젠화물 촉매’를 이용해 해결했다. 실리콘과 금속의 화학 반응에 금속할로젠화물 촉매를 도입해 실리콘 합성 온도를 낮춘 것이다. 특히 곽상규 교수팀은 이 현상을 원자 단위 시뮬레이션 과정으로 분석해 저온 합성 과정의 메커니즘을 규명했다. 금속할로젠화물 촉매가 도입되면서 금속과 실리카가 반응을 일으키는 데 필요한 활성화 에너지가 낮아져 실리콘이 쉽게 합성된 것이다.

제1저자인 김진철 UNIST 화학공학과 석?박사통합과정 연구원은 “금속할로젠화물은 녹는점이 낮아 실리카에서 산소를 떼어내는 환원 반응의 온도를 낮추는 역할을 한다”며 “또 금속할로젠화물이 환원 반응에 직접 참여해 실리콘 생성 속도를 촉진시킨다”고 설명했다.

연구진은 저온 합성법으로 만들어진 실리콘 음극 소재로 배터리를 만들고 충·방전 실험을 진행했다. 그 결과 수백 회 이상의 충·방전을 반복해도 안정적인 전기화학적 특성을 보였다.

곽상규 교수는 “금속할로젠화물을 이용한 합성법의 메커니즘을 규명함으로써 낮은 온도에서 실리콘을 형성하는 방향에 대한 이론적 근거를 제시한 연구”라고 평가했다. 박수진 교수는 “금속할로젠화물은 금속이 녹는 용융을 촉진할 뿐 아니라 시작하도록 돕고 결과물로 제작되는 실리콘의 구조 형성에도 큰 역할을 할 수 있다”며 “실리콘뿐 아니라 다른 금속산화물에도 충분히 금속할로젠화물을 촉매로 적용 가능할 것”이라고 내다봤다.