UNIST 이준희·POSTECH 박수진 교수팀 주성미 ▲ (왼쪽부터) 류재건 POSTECH 박사후 연구원, 이준희 UNIST 교수, 서지희 UNIST 석사과정 연구원, 이호식 UNIST 연구조교수. (UNIST 제공) 전기차 배터리 용량과 충전속도를 높일 소재로 꼽히는 ‘실리콘’의 전기 전도도를 ‘1% 도핑’으로 높이는 기술이 개발됐다. 울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부 이준희 교수팀과 포항공대(POSTECH) 화학과 박수진 교수팀이 ‘저온에서 황이 도핑된 실리콘을 합성하는 기술’을 개발했다고 3일 밝혔다. 또 연구진은 이 물질을 원자 단위에서 시뮬레이션해 비금속과 금속의 중간인 ‘반금속 성질’을 확인했다. 리튬 이온 배터리의 음극 소재로는 전기 전도도가 높은 흑연이 사용되고 있지만 흑연은 이론적 용량 한계가 있다. 대체 소재로 ‘실리콘’이 주목받고 있지만, 전기 전도도가 낮고 충·방전 시 부피가 크게 달라져 깨지기 쉽다는 단점이 있었다. 연구진은 이를 해결하기 위해 ‘1% 도핑법’을 개발했다. ‘도핑’이란 물질에 불순물을 첨가하는 공정인데 연구진은 대량의 실리콘 입자에 황을 도핑하는 방법을 제안했다. 이 방식으로 합성된 ‘반금속 실리콘’은 탄소 없이도 전기 전도도가 높아져 고속충전이 가능했다. 금속할로젠화물 촉매로 이산화규소(SiO, silica)와 마그네슘 설페이트(MgSO, Magnesium sulfate)를 환원시켜 원자 단위 ‘실리콘/황 화합물(Seed)’을 만들었다. 이 물질들을 무작위로 뒤섞이면서 재결정화 과정을 거치며, 최종적으로 황이 균일하게 도핑된 구조의 실리콘 입자가 합성된다. 연구진은 이 기술로 만든 반금속 실리콘이 나부에 황 사슬도 길게 도핑돼 리튬 이온의 확산속도를 높이는 데도 기여한다고 밝혔다. 이는 고속충전이 가능한 고에너지 배터리 개발에 이상적인 물리적 성질로 평가된다. 이준희 UNIST 교수는 “반금속 실리콘 소재는 탄소의 도움 없이도 빠르게 충전돼 오랫동안 사용할 수 있는 음극 소재의 특성을 확보한 최초의 기술”이라며 “단 1% 도핑으로 실리콘 전극이 가진 거의 모든 문제점을 해결했다”고 강조했다. 박수진 POSTECH 교수는 “이 기술은 배터리 소재에 국한되지 않고, 광전자 응용 분야를 비롯한 다양한 에너지 소재 산업에 크게 기여할 것”이라고 전망했다. 미래창조과학부와 한국연구재단 지원으로 이뤄진 이번 연구는 학술지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications) 5월 28일자에 게재됐다.
울산과학기술원과 포항공대 교수팀이 ‘저온에서 황이 도핑된 실리콘을 합성하는 기술’을 개발한 가운데 ‘1% 도핑’으로 탄소 없이도 전기 전도도를 높여 고속충전이 가능하게끔 높이는 기술이 개발되었다.
