나노기술 및 정책 정보

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중국과학원 과정공정 연구소 연구팀이 열 플라즈마를 이용한 실리콘 나노 와이어 리튬 음극 재료의 kg급 양산을 실현하는데 성공함. 이 재료로 제조한 전지 용량과 수명은 모두 비교적 높은 수준에 도달한 것으로 나타났음.

기존의 흑연 음극 재료의 이론적인 비교 용량은 372mAh/g 수준밖에 되지 않기 때문에 전지의 높은 용량, 높은 성능 요구를 충족시킬 수 없었으며, 실리콘 재료는 비교적 높은 비교 용량으로 인해 차세대 음극 재료로 사용될 수 있는 가능성이 제일 높지만 실리콘은 충전과 방전 과정에서 체적 팽창이 심각하게 발생하기 때문에 전기 전도성이 떨어지는 문제가 있었음. 연구팀은 선행연구로, 독자적으로 연구 개발한 고주파 유도 가열 플라즈마 장치를 기반으로 하고, 플라즈마 고온 가스화 핵 생성, 제어 가능한 성장을 통해 형태가 균일하고 지름이 약 50nm인 실리콘 나노 구(nanospheres)를 개발하였으며, 관련 연구개발 성과는 국제 학술지(J. Mater. Chem. A 등)에 게재되었었음. 연구팀은 플라즈마로 나노 실리콘을 제조할 때 플라즈마 반응기 중 냉온 정도의 차이에 따라 취득한 생성물은 다양한 형태와 구조를 보유하고 있다는 점을 발견하였음. 연구팀은 고온 벽 반응기(hot wall reactor)의 도입을 통해 입자 성장 시간 등을 연장하였고, 실리콘 나노 와이어를 제조하는데 성공하였으며, 더 나아가 실리콘 나노 와이어와 탄소를 조립하여 멀티 사이즈의 완충이 가능한 탄소 코팅 실리콘 나노 와이어 그룹을 제조하는데 성공하였다고 함. 와이어 그룹은 풍부한 공극 구조를 보유하고 있기 때문에 실리콘 나노 와이어가 리튬 삽입(lithium-insertion) 과정에서 발생하는 체적 팽창을 위해 공간을 제공하고 있으며, 일정한 외부 역량을 부담할 수 있기 때문에 구조가 파괴되지 않도록 보장하며, 이론 계산 결과와 일치하기 때문에 안정적인 순환 성능을 발휘할 수 있도록 하는 구조 보장을 제공하였음.

이번에 실현한 고 주파 가열 유도 플라즈마로 제조한 나노 실리콘 와이어의 시간당 kg급 양산은 나노 실리콘의 실리콘 카본 음극 재료가 공업 분야에서 응용될 수 있도록 하는 기반과 가이드라인을 제공하였으며, 해당 재료와 탄소 재료 간의 복합을 실행한 후 1,000회 순환을 실행한 후의 용량은 여전히 2000mAh/g 수준에 도달하는 것으로 나타나 실리콘 탄소 음극 재료의 산업화를 위한 기반이 된 것으로 평가됨.

본 연구 성과는 ACS Nano에 게재됨.