황 도핑한 실리콘 음극 소재로 전기차 배터리 고속충전

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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.