[프랑스] 리튬이온배터리 저장 용량 최대 6배 증가 가능성 보여

프랑스 Grenoble에 위치한 Institut Laue-Langevin에서 중성자 측정 장치를 이용하여 리튬이온이 실리콘내부 깊숙이 침투하지 않는 다는 것을 밝혔다.

충전 사이클 동안, 20nm정도의 아주 높은 비율의 리튬이 포함된 애노드 층이 만들어진다. 이것은 아주 얇은 실리콘 층만으로도 최대 리튬 용량에 충분히 도달 할 수 있다는 것을 의미한다.

실리콘과 같은 반도체 물질들은 최근 리튬배터리의 대체 전극으로 관심을 받고 있다. 벌크 실리콘은 막대한 양의 리튬을 흡수 할 수 있다.

하지만 리튬의 이동이 실리콘의 결정구조를 파괴하여 부피를 3배 이상 팽창시키는 문제점을 가지고 있다.

최근 Matthias Ballauff교수가 이끄는 HZB Institute for Soft Matter and Functional Materials 팀에서는 충방전 사이클 동안에 리튬-실리콘 단전지를 처음으로 직접적으로 관찰 하였다.

중성자를 이용하여 실험을 실행한 Beatrix-Kamelia Seidlhofer 박사는 “우리는 중성자 측정 장치를 이용하여 실리콘 전극에 흡착되는 리튬이온들의 위치를 정확하게 추적할 수 있었고, 또한 그것들이 얼마나 빠르게 이동하는지 알 수 있었다”고 말했다.

그녀는 연구를 통해 전극에 두 개의 다른 지역이 존재한다는 것을 밝혔다. 전해질과 맞닿은 지역에서는 대략 20nm의 아주 높은 리튬이 함유된 층(10개 실리콘 원자 당 25개 리튬 원자)이 형성된다.

두 번째 인접한 층에서는 10개 실리콘 원자 당 단지 1개의 리튬 원자가 포함되어 있다. 방전 후에는 전해질에 노출된 실리콘 경계층에서는 약 한 개의 실리콘당 한 개의 리튬 이온이 전극에 남아 있게 된다.

Seidlhofer 박사는 이러한 연구결과를 바탕으로 계산한 결과 실리콘-리튬 배터리는 최대 이론 용량이 2300 mAh/g 수준에 도달 한다고 밝혔다. 이 용량은 흑연으로 만들어진 리튬이온 배터리 최대 이론 용량(372 mAh/g)의 6배 이상이다.

[출처 = 녹색기술정보시스템(www.greenplatform.re.kr) / 2016. 08. 17]