나노기술 및 정책 정보

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독일 베를린의 헬름홀쯔 연구소(Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie) 연구팀이 실리콘 전극의 충방전을 통해 손상되는 과정을 직접 자세히 관찰하는데 성공함. 이 결과는 리튬 이온 배터리의 전극 재료로 실리콘을 사용하면 배터리 암페어 시간(amp-hour) 용량이 크게 증가 할 수 있으나, 이 재료의 단점인 충방전으로 인한 스트레스로 쉽게 손상되는 문제를 해결하는 데 일조할 수 있을 것으로 기대됨. BESSY II 싱크로트론을 사용한 Operando 실험은 실리콘에서 균열이 발생하는 방식에 대한 새로운 통찰력을 제공했으며, 그에 따라 재료를 유리하게 활용할 수 있도록 하는 방법을 제공했음. 스마트 폰이든 전기차이든 모바일 전력을 사용해야 하는 곳이라면 일반적으로 충전식 리튬 이온 배터리를 사용함. 일반적으로 이 배터리 내부의 두 전극 중 하나는 리튬 이온이 들어있는 흑연으로 구성되어 전기 에너지를 저장함. 그러나 이 탄소 소재의 단점은 에너지 저장 용량이 매우 작기 때문에 배터리를 자주 충전해야 한다는 것임. 이러한 이유로 전 세계 연구자들은 배터리 충전/방전주기를 연장하기 위해 대체 전극 재료를 찾고 있음. 유망한 후보 중 하나는 실리콘으로, 이는 흑연보다 10 배 이상의 리튬 이온을 수용할 수 있기 때문임. 일부 배터리 제조업체는 이미 흑연 전극의 에너지 저장 용량을 개선하기 위해 작은 실리콘 입자를 사용하고 있으나 이 방법에는 한계가 있음. 리튬 이온이 저장되면 실리콘은 정상 크기의 몇 배로 확장되기 때문에 전극이 점차적으로 갈라지게 됨. 연구팀이 개발한 분석법을 사용하여 다양한 특성을 실시간으로 동시에 측정할 수 있으므로 배터리가 일반적인 방식으로 작동하는 동안 전극 재료의 모양 변화를 추적할 수 있었음.

본 연구 성과는 ‘Energy Storage Materials’ ("Morphological evolution of a single crystal silicon battery electrode during lithiation and delithiation: An operando phase-contrast imaging study") 지에 게재됨.