▲ KAIST 연구팀은 벼의 도정 부산물로 발생된 왕겨로 부터 고용량 리튬 이차전지용 3차원 다공성 실리콘 음극소재 개발했다(右下 이미지는 왕겨의 외피에 존재하는 실리카의 존재를 나타냄)..

국내 연구진에 의해 벼의 도정 부산물인 왕겨를 이용해 출력과 수명 특성이 긴 고용량 리튬이온 이차전지용 실리콘 음극 소재가 개발됐다.

KAIST(총장 강성모)는 EEWS(Energy, Environment, Water and Sustainability) 대학원 최장욱 교수와 생명화학공학과 박승빈 교수 공동연구팀이 왕겨내부에 존재하는 다공성 천연 실리카 물질을 분리·정제해 고용량 리튬이온 이차전지 음극소재인 3차원 다공성 실리콘 물질을 개발했다고 9일 밝혔다.

연구팀은 이차전지용 음극 물질로 사용되고 있는 흑연의 에너지 용량 문제를 해결하기 위한 대체 물질로 실리콘 소재를 개발하기 위해 ‘왕겨’라는 농업 부산물 활용을 검토했다.

왕겨에 포함된 실리카는 벼의 뿌리에서 생물학적 실리카의 선택적 흡수 및 정착과정을 통해 20wt%의 높은 순도의 실리카를 포함하고 있다. 또 왕겨 내부에 존재하는 쌀을 외부 바이러스나 해충으로부터 보호하고 저장성을 용이하도록 다공성 형태의 구조로 이뤄져 있다.

연구팀은 왕겨의 표피에 존재하는 다공성 실리카에서 3차원 구조의 다공성 실리콘 입자를 추출·합성 했다. 이를 통해 기존 실리콘 기반 음극 소재가 가지고 있는 고질적인 문제점인 충·방전 시 부피의 팽창·수축으로 인한 미분화, 박리화 및 계면 불안정성 문제가 효과적으로 개선됨을 확인했다.

특히, 기존 값비싼 나노 구조 합성 공정을 사용하지 않고 저렴한 원료물질로부터 나노 구조의 실리콘 음극활물질을 생산할 수 있었다. 이는 폐자원 혹은 저부가가치 산업에 적용되던 왕겨를 고부가가치화를 위한 에너지 자원으로 활용했다는 측면에서 학계 및 산업계에서 큰 파급효과를 일으킬 전망이다.

또한 이번 연구 성과는 기존 흑연 전극 대비 용량이 3~5배 큰 실리콘이 차세대 리튬이온 이차전지 음극활물질로 상용화 될 수 있는 길을 연 것으로 평가되고 있다. 이를 활용한 소재가 상용화에 성공한다면 리튬이차전지의 에너지 밀도가 높아져 소형전자기기용 이차전지의 사용시간이 약 1.5배 늘어날 것으로 기대되고 있다.

최장욱 교수는 “왕겨 표피로부터 만들어진 상호 연결된 다공 구조에 의해 실리콘의 부피 팽창을 효과적으로 제어해 우수한 용량 유지 특성 및 출력특성을 획기적으로 개선했다”며 “이에 따라 기존 실리콘 기반 리튬 이차전지가 가지는 한계인 용량·사이클 불안정성 등의 문제를 효과적으로 극복할 수 있었다”고 말했다.

한편 이번 연구 결과는 자연과학분야 세계적 권위지 미국국립과학원회보(PNAS) 9일자(한국시각) 온라인판에 게재됐다.