UNIST, 무탄소 고전도성 '반금속 실리콘' 개발

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실리콘 기반 음극재 합성기술을 개발한 이준희 교수팀(왼쪽부터 류재건 포스텍 박사후 연구원, 이 교수, 서지희 UNIST 석사과정 연구원, 이호식 UNIST 연구 조교수)
<실리콘 기반 음극재 합성기술을 개발한 이준희 교수팀(왼쪽부터 류재건 포스텍 박사후 연구원, 이 교수, 서지희 UNIST 석사과정 연구원, 이호식 UNIST 연구 조교수)>

실리콘 소재를 이용해 고속충전·고용량 전지를 만들 수 있는 기술이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST·총장 정무영)은 이준희 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수팀(이하 이 교수팀)이 박수진 포스텍 교수팀과 공동으로 '저온에서 황을 도핑한 실리콘 합성 기술'을 개발했다고 3일 밝혔다.

황 도핑 실리콘은 금속과 비금속(반도체) 중간인 반금속 성질을 지녀 전기 전도도가 우수하다.

리튬이온전지 음극 소재로는 전기 전도도가 높은 흑연이 주로 쓰인다. 실리콘은 흑연보다 용량이 10배 이상 높아 대체재로 주목받고 있지만 전기 전도도가 낮고 충·방전 과정에서 부피 변화가 심해 쉽게 깨지는 문제를 안고 있다.

이 교수팀은 저온에서 대량의 실리콘 입자에 황을 도핑하는 방법으로 이를 해결했다.

실리콘에 황 같은 산소족 원소를 도핑하면 부도체-금속 간 전이현상이 일어나 금속 성질을 띠게 된다. 반도체 업계는 이와 비슷한 이온주입법으로 산소족 원소를 실리콘 기판에 도핑해 광전자적 특성을 개선하고 있다.

이 교수팀이 개발한 기술은 기존 공정 대비 복잡하지 않고 안정적으로 저렴하게 반금속 실리콘을 대량으로 만들 수 있다.

이 기술로 합성한 반금속 실리콘은 탄소 없이도 높은 전기전도도를 나타내 고속충전이 가능하다. 내부에 황 원자 사슬이 길게 이어져 리튬이온의 확산속도도 높여준다.

반금속 실리콘을 리튬이온전지에 시험 적용한 결과, 전기 전도도가 50배 이상 향상돼 고속충전이 가능했고 10분만 충전해도 기존 대비 4배 높은 용량을 나타냈다.

이준희 교수는 “반금속 실리콘 합성은 탄소 도움 없이도 빠르게 충전하고 오랫동안 사용할 수 있는 음극소재를 확보할 수 있는 최초의 기술이다. 1% 도핑으로 기존 실리콘 전극의 단점을 거의 해결했다”면서 “전지 소재에 국한하지 않고 광전자 응용 분야를 비롯한 다양한 에너지 소재 산업 발전에 크게 기여할 것”이라 말했다.

울산=임동식기자 dslim@etnews.com