일본 게이오 대학 이공학부 기계 공학과의 연구 그룹은 반도체 소자나 태양 전지 생산 과정에서 대량으로 발생하는 폐실리콘 분말을 주원료로 하고, 카본 나노 파이버를 첨가해 특정 조건에서의 레이저 소결 기술을 이용한 다공성 복합 후막의 개발에 세계 최초로 성공했다. 이 방법은 막의 기계적 강도, 결정성 및 다공성을 동시에 제어할 수 있기 때문에 고용량 저비용 리튬 이온 배터리 음극을 만들기 위한 새로운 제조 공정의 가능성을 보여주는 성과로 기대된다.본 연구 성과의 일부는 2015년 1월 5일에, 응용 물리 학회 잡지 "Applied Physics Express" 온라인 판에 공개되었다.

현재 휴대 전화와 전기 자동차, 스마트 하우스 등의 증가에 따라 리튬 이온 전지의 고용량화가 요구되고 있다. 따라서 기존의 탄소 전극 대신 고용량화가 가능한 실리콘 전극에 관한 연구가 진행되고 있다. 그러나 실리콘 전극은 높은 비용과 배터리 수명의 저하 등이 과제로 남아 있다. 

한편, 반도체 소자와 태양 전지 생산에서 단결정 실리콘 잉곳을 와이어 소(Wire Saw)를 이용해 실리콘 웨이퍼로 절단하는 과정에서 입자 지름이 서브 미크론 ~ 수 미크론 정도의 실리콘 분말이 대량으로 발생한다. 현재 그 실리콘 분말은 연마재 등의 불순물을 포함하고 있어, 다시 잉곳 생산에 재사용되지 못하고, 산업 폐기물로 폐기되고 있다. 즉, 막대한 에너지를 소비하여 제조된 단결정 실리콘 잉곳의 약 절반 정도는 분말로 폐기되어 버리는 것이 현실인 것이다.

본 연구에서는 이상의 두 가지 배경에서 폐 실리콘 분말을 재사용하여 리튬 이온 전지의 음극을 제조하는 것을 목적으로, 레이저 소결 기술을 이용하여 동박 표면에 후막 제작을 시도했다. 막의 전도성과 기계적 강도를 높이기 위해 폐실리콘 분말에 탄소 나노 섬유를 추가했다 (그림 1). 다양한 조건에서 레이저 소결 실험을 실시한 결과, 실리콘과 카본 나노 파이버와의 견고한 결합을 얻을 수 있는 네트워크 구조를 갖는 다공성 복합 막의 형성에 성공했다. 또한 레이저의 출력과 막의 다공성과의 상관성과 레이저 조사에 의해 막 중 실리콘의 결정성 제어 가능성 등을 발견했다. 또한, 레이저 소결 공정의 고속화에 의해 기존의 증착 및 스퍼터링의 성막 효율과 생산 비용의 문제를 극복했다. 이러한 결과는 본 제안 기술을 리튬 이온 전지에 적용할 때의 전극 성능 향상에 중요한 지침을 제공할 수 있을 것이라고 생각된다.

리튬 이온 전지 산업에서 기존의 탄소 음극의 약 10배의 이론 용량을 가진 실리콘 음극의 연구가 활발하게 이루어지고 있지만, 생산 비용이 높은 것이 문제로 지적되고 있었다. 또한, 실리콘 음극은 리튬 이온을 흡장하면 약 3배의 부피 팽창이 발생하기 때문에 충방전을 반복하면 팽창 수축에 의해 전극의 균열이나 집전체에서 이탈이 발생하는 문제도 있다. 그 결과, 전도성 경로가 붕괴하고 배터리 수명이 저하되고 있다. 본 연구는 첫째, 산업 폐기물인 폐실리콘 분말을 전극 제조에 재사용하기 때문에 자원 절약, 에너지 절약, 저비용 생산 기술이라는 장점이 있다. 또한 다공성 후막을 이용하여 체적 팽창을 흡수 · 완화하는 동시에 탄소 나노 섬유의 네트워크 구조를 막 내에 형성시킴으로써 막의 균열을 방지(그림 2)하여, 배터리 수명의 연장을 가능하게 한다 . 또한, 성막 방법으로서 증착법이나 스퍼터링법 대신 고속 ??레이저 소결을 이용하여 높은 생산 효율을 제공한다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』