서울대학교 융합과학기술대학원 박원철 교수 연구팀이 경기도 차세대융합기술연구원 유영준 센터장 연구팀, 경기대학교 박상윤 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 염화나트륨 소금을 이용하는 염-주형법을 이용해 농업 부산물인 ‘왕겨’를 산화물계 실리콘/다공성 탄소 복합체로 합성하는데 성공했다.

실리콘(Si)은 기존 흑연 음극재 대비 높은 용량의 장점으로 고용량/고출력의 차세대 음극재의 후보군으로 각광받고 있다. 하지만, 반복적인 충-방전 동안 실리콘의 부피 팽창으로 인한 배터리 용량 감소가 수명 저하의 원인으로 여겨져 왔다.

산화물계 실리콘(SiOx)은 실리콘의 단점인 부피 팽창이 완화된 음극재로 이차전지의 성능을 안정적으로 높일 수 있는 대안 물질로 인식되고 있다.

또한, 기존 배터리 음극 소재의 합성공정은 유독한 화학물질 및 원재료의 높은 가격 단점을 갖고 있어 친환경적이고 경제적인 합성 개발이 필요한 실정이다. 박원철 교수팀은 이러한 문제점을 극복하기 위한 음극 소재 합성법을 제안했다.

벼 도정 과정에서 발생하는 대표적인 농업 부산물인 왕겨의 약 20%에는 실리콘의 원재료인 실리카가 함유되어 있다. 박원철 교수팀은 개발한 염-주형법(Salt template) 합성법을 통해 염화나트륨(NaCl)과 왕겨를 사용해 리튬 이온 배터리 음극재용 산화물계 실리콘/다공성 탄소 복합체를 제작했다.

염-주형법으로 염화나트륨(NaCl)은 왕겨에 약 20% 들어있는 실리카(SiO2)를 이용해 산화물계 실리콘(SiOX)을 형성하고 염화나트륨에 의한 탄소 활성화 및 촉매 흑연화에 도움을 줬다. 합성된 복합체는 리튬 이온 배터리용 음극재로 적용돼 우수한 전기화학 특성을 확인했다.

박원철 교수 연구팀은 간편한 염-주형법을 통해 대표적인 농업 부산물인 왕겨가 리튬 이온 배터리용 음극재로 활용 될 수 있다는 가능성을 보여줬고, 기존 구조체 합성에 있어서 템플릿의 역할으로만 활용됐던 염이 산화물계 실리콘 합성 및 다공성 탄소 형성의 중요한 역할을 할 수 있음을 확인했다. 

연구팀의 친환경적이고 간단한 합성법은 향후 에너지 소재 개발 및 물질 합성에 폭 넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

이 연구는 SCIE급 저널인 GREEN & SUSTAINABLE SCIENCE & THECHNOLOGY 분야 세계적 학술지에 ‘EcoMat’(IF=14.6)에‘Sustainable eco-friendly sub-micron NaCl crystal powder-assisted method to synthesize SiOx/C as anode materials originated from rice husk for lithium-ion batteries’라는 제목의 논문으로 온라인 개제됐다.


*에듀진 기사 URL: http://www.edujin.co.kr/news/articleView.html?idxno=43826
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