삼성 전자의 연구자들이 저널 네이처 커뮤니케이션즈에 리튬 이온 배터리의 수명을 증가시킬 수 있는 신기술을 발표했습니다. 이들이 사용한 것은 실리콘과 차세대 소재로 각광을 받고 있는 그래핀 소재입니다.
연구팀은 배터리의 양극을 전통적인 탄소재질에서 실리콘으로 변경했습니다. 이는 배터리의 용량을 늘리는데 도움을 줄 수 있습니다. 문제는 리튬을 첨가하는 경우 실리콘 전극이 팽창할 수 있다는 것입니다. 이는 안전성 등에서 큰 문제를 일으킬 수 있습니다.
이 문제를 해결하기 위해 연구자들은 carbide free graphene 을 이용해서 원형으로 배터리 전극을 둘러싸는 새로운 기술을 개발했습니다. 이는 실리콘 전극을 더 안정하게 도와줍니다. (아래 그림)
(SiC-free graphene growth on Si NPs. (a) A low-magnification TEM image of Gr–Si NP. (b) A higher-magnification TEM image for the same Gr–Si NP from the white box in a. (Insets) The line profiles from the two red boxes indicate that the interlayer spacing between graphene layers is ~3.4 Å, in good agreement with that of typical graphene layers based on van der Waals interaction. (c) A high-magnification TEM image visualizing the origins (red arrows) from which individual graphene layers grow. (d) A schematic illustration showing the sliding process of the graphene coating layers that can buffer the volume expansion of Si. Credit: Nature Communications 6, Article number: 7393 doi:10.1038/ncomms8393)
실제 전극의 크기는 나노미터 단위로 작은 것을 확인할 수 있습니다. 작은 그래픽 층으로 실리콘을 둘러싼 후 여기에 리튬을 넣어서 안정된 전극을 만드는 방식으로 초기 에너지 밀도를 기존 배터리의 1.8배, 반복 사용에서는 1.5배 늘릴 수 있다는 것이 연구팀의 설명입니다.
사실 이것보다 더 놀라운 점은 초 미세 공정입니다. 1nm 두께도 안되는 그래핀 층을 둘러쌓는 공정을 개발했다는 것인데, 과연 사람의 힘인지 하는 생각이 들만큼 초 미세 공정입니다.
자연도 놀랍지만 이런걸 보면 인간 역시 놀랍다고 하겠습니다. 어쩌면 외계인을 고문하는지도.... 아무튼 이와 같은 노력이 계속된다면 한동안 배터리 에너지 밀도 증가는 계속될 것으로 보입니다.
참고
Silicon carbide-free graphene growth on silicon for lithium-ion battery with high volumetric energy density, Nature Communications 6, Article number: 7393 DOI:
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