UNIST 연구진, 두 기능 가진 촉매로 실리콘 저온 합성 메커니즘 규명

[인더스트리뉴스 최홍식 기자] UNIST(총장 정무영) 에너지 및 화학공학부 곽상규 교수팀은 포항공과대학교 박수진 교수팀, 미국 북태평양 국가연구소(Pacific Northwest National Laboratory, 이하 PNNL)와 함께 저온에서 실리콘을 합성하는 기술을 개발하고, 원자 단위의 시뮬레이션으로 합성 원리를 규명했다.

현재 리튬 이온 배터리의 음극 물질로는 흑연이 사용된다. 그런데 전기차처럼 대용량 배터리의 수요가 증가하면서 흑연보다 용량이 큰 실리콘이 대체 물질로 꾸준히 주목받고 있다. 실리콘은 흑연에 비해 10배 이상 용량이 높기 때문이다.

이에 발맞춰 다양한 합성법을 통해 실리콘이 생산되고 있다. 가장 많이 쓰이는 방법은 ‘금속을 이용한 실리카(Silica)의 환원이다. 그런데 이 과정은 수백 ℃ 이상의 높은 온도가 필요해 비용이 많이 필요하고 실리콘의 대량 합성도 어렵다는 한계가 있었다.

이번 연구는 이 문제를 ‘금속할로젠화물 촉매’를 이용해 해결했다. 실리콘과 금속의 화학 반응에 금속할로젠화물 촉매를 토입해 실리콘 합성 온도를 낮춘 것이다. 특히 곽상규 교수팀은 이 현상을 원자 단위 시뮬레이션 과정으로 분석해 서온 합성과정의 메커니즘을 규명했다. 금속할로젠화물 촉매가 도입되면서 급속과 실리카가 반응을 일으키는데 필요한 활성화 에너지가 낮아져 실리콘이 쉽게 합성된 것이다.

제1저자인 UNIST 화학공학과 김진철 석‧박사 통합과정 연구원은 “금속할로젠화물은 녹는점이 낮아 실리카에서 산소를 떼어내는 환원 반응의 온도를 낮추는 역할을 한다”며, “금속할로젠화물이 환원 반응에 직접 참여해 실리콘 생성 속도를 촉진시킨다”고 설명했다.

공동 제1저자인 UNIST 에너지공학과 송규진 석‧박사 통합과정 연구원은 “원자 단위의 메커니즘에서 규명했듯 실제 실리콘의 합성이 낮은 온도에서 이뤄진다는 게 확인됐다”며, “이는 실리콘 음극 소재의 대량 생산 가능성을 보여준 것이다”고 밝혔다.

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.

또 다른 공동 제1저자인 UNIST 에너지공학과 류재건 박사는 “실시간 투과전자현미경을 통해 충‧방전 과정 동안 저온 합성된 실리콘의 구조적 안정성을 증명했다”며, “이를 통해 차세대 음극 소재로 저온 합성 실리콘이 적합함을 보였다”고 전했다.

곽상규 교수는 “이번 연구는 금속할로젠화물을 이용한 합성법의 메커니즘을 규명함으로써 낮은 온도에서 실리콘을 형성하는 방향에 대한 이론적 근거를 제시한 연구다”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 것으로 보인다”고 전망했다.

이번 연구는 UNIST의 미래선도형 특성화사업과 LG화학의 지원, UNIST 슈퍼컴퓨팅 센터의 계산 지원을 이뤄졌으며, 연구결과는 세계적인 과학출판그룹인 네이처 퍼블리싱 그룹Nature Publishing Group)에서 발행하는 ‘커뮤니케이션스 케미스트리(Communications Chemistry)’ 8월 6일자에 게재됐다.

[최홍식 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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