울산과학기술원(UNIST) 연구진이 전기차 배터리 용량과 충전속도를 높일 소재로 주목받는 실리콘의 전기 전도도를 개선하는 기술을 개발했다.
이준희 에너지 및 화학공학부 교수팀은 박수진 포스텍 화학과 교수팀과 함께 '저온에서 황이 도핑된 실리콘을 합성하는 기술'을 개발했다고 3일 밝혔다.
도핑이란 물질에 불순물을 첨가하는 공정으로, 주로 반도체 공정에서 전기적 특성을 높이고자 사용된다.
현재 전기차 배터리 등으로 사용되는 리튬 이온 배터리의 음극 소재로는 전기 전도도가 높은 흑연이 쓰인다.
그러나 흑연은 이론적으로 용량 한계가 있어 대체 소재 개발이 진행 중이다.
실리콘이 흑연을 대체할 후보로 꼽히지만, 전기 전도도가 낮고 충·방전 때 부피 변화가 커 잘 깨진다는 문제가 있었다.
연구진은 이런 실리콘 단점을 해결하는 '1% 도핑법'을 개발했다.
저온에서 대량의 실리콘 입자에 황을 도핑해 합성한 '반금속 실리콘'은 탄소 없이도 전기 전도도가 50배 이상 향상돼 고속충전이 가능했다.
반금속은 금속과 비금속의 중간 성질을 가지는 물질로, 비금속보다 전기 전도도가 높은 성질을 지닌다.
이 교수는 "기존 공정은 복잡하고 비싸며 불안정성이 높아 대량 생산에 적합하지 않았는데, 이번 연구로 손쉽게 반금속 실리콘을 만들게 됐다"면서 "특히 이 기술로 만든 반금속 실리콘은 리튬 이온의 확산속도를 높이는 데 이바지하는데, 이는 고속충전이 가능한 고에너지 배터리 개발에 이상적인 성질로 평가된다"고 설명했다.
박 교수는 "상용화된 리튬 이온 배터리 평가 조건에서 검증한 결과, 10분만 충전해도 흑연의 4배 이상 용량을 유지했다"면서 "이 기술은 배터리 소재에 국한되지 않고, 광전자 응용 분야를 비롯한 다양한 에너지 소재 산업에 활용될 것"이라고 전망했다.
이번 연구는 자연과학 분야 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications) 5월 28일 자에 게재됐다.
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