▲ (a) Raw materials은 실리카(silica)이다. 촉매로써 금속할로젠화물 일종인 AlCl₃가 도입될 때 일어나는 구조적 모식도 (b) 금속할로젠화물이 실리카를 실리콘으로 환원시키는 메커니즘

국내 연구진이 대용량 배터리 구현을 위해 필요한 차세대 음극 물질인 ‘실리콘’을 촉매를 통해 저렴하면서 대량으로 합설할 수 있는 기술을 개발했다.

UNIST는 곽상규 에너지 및 화학공학부의 곽상규 교수팀과 박수진 POSTECH 화학과교수팀, 미국 북태평양 국가연구소(PNNL)이 공동으로 저온에서 실리콘을 합성하는 기술을 개발하고 원자 단위의 시뮬레이션으로 합성 원리를 규명했다고 9일 밝혔다.

현재 리튬이온배터리의 음극 물질로 흑연이 사용된다. 하지만 최근 전기차 같은 대용량 배터리의 수요 증가로 흑연보다 10배 이상 용량이 높은 실리콘이 주목받고 있다.

이러한 실리콘 생산을 위해 ‘금속을 이용한 실리카(Silica) 환원’이 많이 사용되지만 해당 과정은 수백 ℃ 이상의 높은 온도가 필요하며 비싼 관계로 실리콘의 대량 합성도 어려웠다.

이에 연구진들은 ‘금속할로젠화물 촉매’로 이런 문제를 해결했다. 실리콘과 금속의 화학 반응에 금속할로젠화물 촉매를 도입해 실리콘 합성 온도를 낮춘 것이다.

또한 이 현상을 원자 단위 시뮬레이션 과정으로 분석해 저온 합성 과정의 메커니즘을 규명했다. 금속할로젠화물 촉매가 도입되면서 금속과 실리카가 반응을 일으키는 데 필요한 활성화 에너지가 낮아져 실리콘이 쉽게 합성된 것이다.

연구진은 저온 합성법으로 만들어진 실리콘 음극 소재로 배터리를 만들고, 충·방전 실험을 진행했다. 그 결과 수백 회 이상의 충·방전을 반복해도 안정적인 전기화학적 특성을 보였다.

곽상규 교수는 “금속할로젠화물을 이용한 합성법의 메커니즘을 규명함으로써 낮은 온도에서 실리콘을 형성하는 방향에 대한 이론적 근거를 제시한 연구”라고 평가했다.

박수진 교수는 “금속할로젠화물은 금속이 녹는 용융을 촉진할 뿐 아니라 시작하도록 돕고, 결과물로 제작되는 실리콘의 구조 형성에도 큰 역할을 할 수 있다”며 “실리콘뿐 아니라 다른 금속산화물에도 충분히 금속할로젠화물을 촉매로 적용 가능할 것”이라고 내다봤다.

한편, 이번 연구는 미래선도형 특성화사업(UNIST)과 LG화학의 지원, UNIST 슈퍼컴퓨팅 센터의 계산 자원으로 이뤄졌다.

또한 연구 결과는 세계적인 과학출판그룹인 네이처 퍼블리싱 그룹(Nature Publishing Group)에서 발행하는 ‘커뮤니케이션스 케미스트리(Communications Chemistry)’ 8월6일자에 게재됐다