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황 도핑한 실리콘 음극 소재로 전기차 배터리 고속충전

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황 도핑한 실리콘 음극 소재로 전기차 배터리 고속충전

2019.06.03 12:49
연구를 주도한 류재건 포스텍 박사후연구원과 이준희 UNIST 교수, 서지희 UNIST 석사과정 연구원, 이호식 UNIST 연구조교수(왼쪽부터). UNIST 제공.
연구를 주도한 류재건 포스텍 박사후연구원과 이준희 UNIST 교수, 서지희 UNIST 석사과정 연구원, 이호식 UNIST 연구조교수(왼쪽부터). UNIST 제공.

실리콘의 전기 전도도를 높여 전기차에 사용되는 리튬이온전지의 용량과 충전 속도를 높일 수 있는 기술이 개발됐다. 

 

울산과학기술원(UNIST)은 이준희 에너지및화학공학부 교수 연구팀과 박수진 포스텍 화학과 교수 연구팀이 공동연구를 통해 ‘저온에서 황이 도핑된 실리콘을 합성하는 기술’을 개발했다고 3일 밝혔다. 비금속(반도체)인 실리콘에 황을 도핑, 전기 전도도를 높이는 게 핵심이다. 

 

현재 리튬이온전지의 음극 소재로는 전기 전도도가 높은 흑연이 활용된다. 흑연을 음극 소재로 쓰면 전지 용량에 한계가 있다. 실리콘이 대체 소재로 떠오르고 있지만 전기 전도도가 낮고 충방전시 부피 변화가 커서 잘 깨진다는 문제가 있다. 

 

연구팀은 실리콘의 단점을 해결하는 이른바 ‘1% 도핑법’을 개발했다. 저온에서 대량의 실리콘 입자에 황을 도핑하는 방법을 제안한 것이다. 이 방식으로 합성된 ‘반금속 실리콘’은 탄소 없이도 전기 전도도가 향상돼 고속충전이 가능한 것으로 나타났다. 

 

연구진은 우선 금속할로젠화물 촉매로 이산화규소와 황산마그네슘을 환원시켜 원자 단위의 ‘실리콘/황 화합물’을 만들었다. 이 물질들이 무작위로 뒤섞이고 재결정화 과정을 거치며 황이 균일하게 도핑된 구조의 실리콘 입자가 합성된다. 이 방식으로 합성된 실리콘은 전기 전도도가 50배 이상 향상돼 고속 충전이 가능해졌다. 

 

이준희 UNIST 교수는 “반금속 실리콘 소재는 탄소의 도움 없이도 빠르게 충전되고 오랫동안 사용할 수 있는 음극 소재의 특성을 확보한 기술”이라며 “단 1%의 도핑으로 실리콘 전극이 가진 거의 모든 문제점을 해결했다”라고 강조했다. 

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