왕겨를 기반으로 한 친환경적 음극 소재 개발

- 왕겨와 소금 (염화 나트륨)을 활용한 염-주형 (Salt-template) 합성법을 통해 리튬 이온 배터리 음극재 용 산화실리콘/다공성 탄소 복합체 제작 -

[연구필요성]

실리콘(Si)은 기존 흑연 음극재 대비 높은 용량의 장점으로 고용량/고출력의 차세대 음극재의 후보군으로 각광받고 있다. 하지만, 반복적인 충-방전 동안 실리콘의 부피 팽창으로 인한 배터리 용량 감소와 수명 저하의 원인으로 여겨져 왔다. 산화물계 실리콘(SiO_x)은 실리콘의 단점인 부피 팽창이 완화된 음극재로 이차전지의 성능을 안정적으로 높일 수 있는 대안 물질로 인식되고 있다. 또한, 기존 배터리 음극 소재의 합성공정은 유독한 화학물질 및 원재료의 높은 가격의 단점을 갖고 있어 친환경적이고 경제적인 합성 개발이 필요한 실정이다. 박원철 교수팀은 이러한 문제점을 극복하기 위한 음극 소재 합성법을 제안하였다.

[연구성과/기대효과]

벼 도정 과정에서 발생하는 대표적인 농업 부산물인 왕겨의 약 20 wt%에는 실리콘의 원재료인 실리카가 함유되어 있다. 박원철 교수팀이 개발한 염-주형법(Salt template) 합성법을 통해 염화나트륨(NaCl)과 왕겨를 사용하여 리튬 이온 배터리 음극재용 산화물계 실리콘/다공성 탄소 복합체를 제작하였다. 합성된 복합체는 우수한 전기화학적 성능을 보여주었으며, 향후 친환경적 에너지 저장장치용 소재 개발에 응용될 수 있을 것으로 기대할 수 있다.

[본문]

서울대학교 융합과학기술대학원 박원철 교수 연구팀(제1저자: 조영슬 박사과정)이 경기도 차세대융합기술연구원 유영준 센터장 연구팀(제1저자: 이세훈 박사, 전영표 박사), 경기대학교 박상윤 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 염화나트륨 소금을 이용하는 염-주형법을 이용하여 농업 부산물인‘왕겨’를 산화물계 실리콘/다공성 탄소 복합체로 합성하는데 성공하였다. 염-주형법을 통해 염화나트륨(NaCl)은 왕겨에 약 20% 들어있는 실리카(SiO₂)를 이용해 산화물계 실리콘(SiO_x)을 형성하고 염화나트륨에 의한 탄소 활성화 및 촉매 흑연화에 도움을 주었다. 합성된 복합체는 리튬 이온 배터리용 음극재로서 적용되어 우수한 전기화학 특성을 확인하였다.

박원철 교수 연구팀은 간편한 염-주형법을 통해 대표적인 농업 부산물인 왕겨가 리튬 이온 배터리용 음극재로 활용 될 수 있다는 가능성을 보여주었고, 기존 구조체 합성에 있어서 템플릿의 역할로만 활용되었던 염이 산화물계 실리콘 합성 및 다공성 탄소 형성의 중요한 역할을 할 수 있음을 확인하여 이는 추후 다양한 응용 연구가 가능할 것으로 예측한다. 따라서, 본 연구팀의 친환경적이고 간단한 합성법은 향후 에너지 소재 개발 및 물질 합성에 폭 넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

해당 연구는 SCIE급 저널인 GREEN & SUSTAINABLE SCIENCE & TECHNOLOGY 분야 세계적 학술지‘EcoMat’(IF=14.6)에 ‘Sustainable eco-friendly sub-micron NaCl crystal powder-assisted method to synthesize SiO_x/C as anode materials originated from rice husk for lithium-ion batteries’라는 제목의 논문으로 9월 21일자 온라인 개제가 완료되었다.

[연구결과]

Sustainable eco-friendly sub-micron NaCl crystal powder-assisted method to synthesize SiOx/C as anode materials originated from rice husk for lithium-ion batteries


Se Hun Lee, Youngseul Cho, Young Pyo Jeon, Yujin Chang, Kyu Sang Lee, Dongpyo Hong, Ok Sung Jeon, Yongyeol Park, Hyun Seo Yang, Young Joon Yoo, Sang Yoon Park, Yuanzhe Piao

(EcoMat, September 21, 2023, https://doi.org/10.1002/eom2.12401)

본 연구에서는 NaCI 기반의 염-주형 합성법을 통해 왕겨를 이용하여 산화물계 실리콘/다공성 탄소 복합체를 제작하였다. 해당 합성범은 간단하고 친환경적인 합성법이며, 합성된 복합체는 리튬이온 배터리용 음극재로서 우수한 전기화학적 성능과 안정적인 충-방전 거동을 보였다. 이 합성법은 향후 지속가능한 에너지 소재 개발 및 물질 합성에 폭 넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.