[신기술 소개] NIMS, 실리콘 금속 화합물을 이용한 고용량 리튬 이온 전지 재료 개발

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NIMS, 실리콘 금속 화합물을 이용한 고용량 리튬 이온 전지 재료 개발

일본 물질⋅재료연구기구(NIMS) 국제나노아키텍토닉스연구거점 후카다 나오키(深田直樹) 그룹리더를 중심으로 한 연구그룹 및 조지아 공대 연구그룹은 리튬 이온 2차 전지용 음극 재료로서 금속 기판 위에 실 리콘 금속 화합물의 나노 입자를 형성함으로써, 종래의 2배 가까운 고용량 및 긴 사이클 수명을 실현했다.

연구그룹은 금속 기판 상에 게르마늄으로 1차원 와이어 모양의 나노 구조를 형성하고, 그것을 기초로 나 노 구조의 실리콘 금속 화합물을 형성했다. 형성된 나노 구조 재료는 수십~100 nm 정도의 나노 입자의 집 합체 내부에 공극이 다수 존재하고, 게르마늄 나노 구조체 사이에는 큰 간극이 존재하는 특징이 있다 (Figure). 또한 형성된 나노 구조체는 순수한 실리콘만으로 형성되었을 뿐 아니라, 게르마늄 구조체를 매개 체로 기판에서 성장 시 자동으로 금속 원자(주로 철)가 공급되어 실리콘계 금속 화합물이 된다.

제작한 시료로 충방전 특성을 평가 한 결과, 음극 용량을 현재의 2배 정도로 증대시킴과 동시에 사이클 수명 증대도 성공했다.

이번 연구를 통해 개발된 재료는 내부에 공극을 가짐으로써 체적 팽창에 의한 응력을 완화하고, 실리콘 계 나노 구조 재료 중의 실리콘과 금속 원소의 조성을 제어함으로써 리튬 이온 전지 음극재의 고용량화 및 장수명화를 실현할 수 있는 점을 특징으로 한다.

본 연구 성과는 2016년 5월 6일 NANO Energy 온라인 판에서 게시되었다(※발표논문참조).

※ 발표논문 : Naoki Fukata, Masanori Mitome, Yoshio Bando, Wenzhuo Wu, and Zhong Lin Wang,

“Lithium ion battery anodes using unique Si-Fe based nanocomposite structures”, NANO Energy

DOI: doi:10.1016/j.nanoen.2016.05.007

Figure. 새로운 리튬 이온 2차 전지용 음극재로 개발된 나노 구조로 이루어진 실리콘 금속 화합물의 전자현미경상.

출처 : 2016.05.17. NIMS (http://www.nims.go.jp/news/press/2016/05/201605171.html)

작성 : 소 대 섭 (한국과학기술정보연구원)