볼타가 전지를 발명한 후, 이온이나 전기에너지를 저장하는 재료의 성능 연구가 활발히 진행되었다. 특히 휴대용 에너지에 대한 수요가 증가함에 따라 충전이 가능한 이차 전지가 개발되었다. 이차 전지 연구의 꽃은 이번에 노벨상을 받은 ‘리튬 이온 전지’이다. 이 기술은 휴대폰, 태블릿, 전기차 등 우리의 일상생활과 밀접한 관련이 있다.
리튬 이온 전지를 이해하려면 휴대 전화를 생각하면 된다. 우리는 하루 종일 사용한 휴대 전화를 다시 충전해서 사용한다. 휴대 전화를 충전할 때 이온은 양극에서 음극으로 흐르며 사용할 이온은 음극에 저장한다. 이 과정을 충전한다고 표현하며, 저장된 이온이 음극에서 양극으로 모두 이동하고 난 상태를 방전이라고 한다. 이때 이온의 흐름을 다시 반대로 바꿔 주면 휴대 전화가 다시 충전된다.
일반적으로 음극에는 흑연이 사용되지만, 흑연이 저장할 수 있는 이온의 수에 제한이 있다. 이에 에너지 저장량이 높고 많은 이온을 저장할 수 있는 실리콘 기반의 음극재가 흑연을 대체할 효율적이고 지속가능한 대안으로 등장하였다. 그러나 리튬 이온이 충전되는 과정에서 실리콘 기반 음극재의 부피는 기존에 비해 4배까지 팽창하고, 이 팽창은 전지의 수명에 큰 영향을 미친다.
실리콘에 탄소를 결합하여 실리콘-탄소 복합체를 만들면, 실리콘의 장점(높은 에너지 저장 능력)과 탄소의 장점(탄성)을 모두 얻어 이 문제를 극복할 수 있다. 그러나 이 복합체를 제작하기 위해서는 시간과 비용이 많이 들기 때문에 광범위하게 적용하기 어렵다.
이 문제를 해결하기 위해 한국해양대학교 강준 교수 연구팀은 실리콘과 탄소를 동시에 합성해 시간과 비용을 절감하는 간단한 방법을 발견했다. 강 교수는 이 연구의 원리는 “실리콘과 탄소를 포함하는 용액에 펄스화된 Bipolar 직류전원을 인가하면, 이온은 가속되지 않고 전자만 가속되는 차가운 플라즈마가 형성이 되고, 이 플라즈마 방전을 통해 실리콘과 탄소 전구체가 분해 후 폴리머화 되면서 탄소재료 내에 실리콘 나노 입자가 고르게 퍼지는 형태의 복합소재가 합성이 된다. 따라서 충전과 방전이 여러 번 진행되더라도 안정적인 성능을 가진 실리콘-탄소 복합체가 만들어지게 된다”고 밝혔다.
또한 강 교수는 “실리콘과 탄소를 동시에 생산하고, 탄소가 고르게 분포한다는 것은 대량생산이 가능한 효과가 있다. 이 제조법이 실리콘-탄소 복합체 제작의 시간과 비용을 크게 줄일 것으로 기대한다”고 덧붙였다.
리튬 이온 전지는 크기와 부피가 작기 때문에 오늘날 우리 생활에 없어서는 안 되는 존재가 되었다. 이 연구에서 개발된 실리콘-탄소 복합체 제조법은 범위가 제한되어 있지 않고 다양한 수정과 변형이 가능하다. 특히 실리콘과 탄소의 결합은 세계를 화석 연료 의존 상태에서 구출해 낼 것이다.
