교육과학기술부는 리튬을 이용한 이차전지의 차세대전극물질로 각광받고 있는 나노구조실리콘전극이 순수 국내 연구진에 의해 개발되었다고 밝혔다. - 광주과학기술원(GIST) 김원배 교수 연구팀은 나노박막 실리콘을 패턴공정기술로 변화시킨 후, 구조별 리튬저장특성과 차이점을 체계적으로 연구하였음. - 실리콘은 상용 리튬이차전지의 음극소재로 사용되는 흑연보다 용량이 10배 이상 큰 차세대 전극물질이지만, 리튬과 만나면 부피가 4배가량 팽창되어 리튬의 저장능력을 급격히 감소시킨다는 단점이 제기되었음. - 차세대 리튬이차전지용 전극소재를 연구하는 전 세계 연구자들은 실리콘의 형태나 크기 등을 바꾸어 나노실리콘(나노관, 나노구, 나노선, 나노기둥, 나노우물 등)의 흑연대체 가능성을 꾸준히 제시해 왔음. 그러나 지금까지 나노전극구조의 배열, 크기, 형태 등을 정형화하고 각 구조별 전극특성과 구조별 차이점을 체계적으로 고찰한 연구는 미비하였음. - 따라서 연구팀은 규칙적으로 배열된 나노패턴의 구조조정이 가능한 레이저 간섭 리소그래피를 이용해 전극물질의 접촉면적과 부피를 조절하고, 여러 구조형상(나노박막, 나노우물, 나노기둥 등)에 따른 리튬의 저장특성과 전자전달의 효율변화를 정량적으로 분석하였음. - 김 교수팀이 실리콘박막에 형성한 나노구조실리콘전극(나노기둥과 나노우물 패턴구조)은 전해액과의 접촉 면적이 넓고 전극내부의 전자전달이 우수하여 용량과 성능이 크게 향상되었음. - 연구팀이 개발한 나노구조실리콘전극으로 리튬이차전지를 제작한 후 평가한 결과, 현재 사용되고 있는 흑연에 비해 8배가량 용량이 증가되었고, 나노구조가 없는 일반 실리콘전극과 비교해도 용량이 2배 이상 증가되었고, 충.방전특성 및 수명도도 크게 향상되었음.
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