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2015/10/07 한양뉴스 > 학술 > 이달의연구자

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[이달의 연구자] 코어쉘 구조, 더 강력한 리튬이온 배터리를 만들다

10월 이달의 연구자 김한수 교수 (공과대학 에너지공학과)

최정아

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http://www.hanyang.ac.kr/surl/PHFC

내용

보다 실용적인 전지 발전을 위해

 
스티브 잡스가 만든 스마트폰이 예쁜 건 사실이지만, 사서 쓰고 싶지는 않다는 A양. 일체형 배터리가 불편하기 때문이라고 한다. 배터리는 쓰면 쓸 수록 성능이 떨어지기 때문에, 충전기나 무거운 보조 배터리를 들고 다녀야 하는 단점이 있다. 하지만 이러한 단점은 이제 사라질지도 모른다. 김한수 교수(공대 에너지)는 스마트폰 속 리튬이온 배터리의 단점을 해결하는 새로운 방법을 연구했다.

리튬이온 배터리 속 실리콘의 문제
스마트폰, 전기 자동차, ESS(Energy Storage System, 발전소에서 과잉 생산된 전력을 저장해 두었다가 일시적으로 전력이 부족할 때 송전해 주는 저장장치) 등 현대 사회에서 이용되는 새로운 발명품들은 리튬이온 배터리를 이용한다. 리튬이온 배터리는 가역 능력, 높은 출력비율 덕에 많은 제품들에서 사용되고 있지만 여전히 몇 가지 문제를 안고 있다. 저장 용량이 작은 데다 용량이 커질수록 가격이 비싸지고, 오랜 기간 사용한 후에는 성능이 떨어진다. 내장형 배터리를 이용하는 스마트폰의 사용기간이 길어질 수록 한 번의 충전으로 하루를 버티기 힘들어지는 것이 이런 문제 때문이다.

▲ 리튬이온 배터리의 성능을 개선하기 위해 김한수 교수(공과대학 에너지공학)의 연구팀은 실리콘에 나노 결정을 코팅하는 '코어쉘'(Core-Shell) 구조를 도입했다. 

리튬이온 배터리를 오랜 기간 사용할 수 없는 이유는 전지 내부 실리콘의 팽창 탓이다. 실리콘은 전자가 방출되는 음극의 소재로 이용된다. 실리콘은 기존에 사용된 흑연에 비해 더 많은 양의 리튬을 저장할 수 있지만, 충전과 방전의 과정을 거칠 때마다 부피가 4배까지 늘어나며 빠르게 닳는 단점이 있다. 김한수 교수(공대 에너지)는 이러한 문제점을 빵에 비유해 설명했다. "빵을 구울 때를 생각하면 쉽습니다. 오븐에 들어간 빵이 처음에 크게 부풀었다 나중에 수축하죠. 그리고 그 과정에서 균열이 생깁니다. 단순히 부풀었다가 본래 상태로 돌아가는 게 아니에요. 균열은 재료에 손상을 입힙니다."

나노 결정을 이용한 팽창 방지
이런 문제를 해결하기 위해 김 교수의 연구팀은 실리콘에 '코어쉘'(Core-Shell) 구조를 도입했다. 노른자를 감싸고 있는 흰자처럼, 실리콘이라는 노른자에 나노 결정이라는 흰자를 코팅하는 방법이다. "리튬이온 배터리 개발에서 실리콘은 장래가 유망한 재료입니다. 코어쉘 구조는 부피 팽창을 억제할 수 있는 산화막, 규소를 통해, 주재료인 실리콘을 보호하는 방법이에요." 김 교수는 새로운 구조 도입 결과, 기존 재료보다 용량이 70% 이상 향상 됐고, 100번 이상의 충전에도 처음과 같은 성능을 낼 수 있음을 밝혀냈다.

아이디어는 있었지만 실제로 생각을 실현시키는 일은 쉽지 않았다. 김 교수 연구팀은 실리콘에 입힐 적절한 재료를 찾기 위해 주요 변수를 따져 실험을 했다. "재료들 간의 조성비, 반응이 일어나는 온도, 재료를 투입하는 시기와 양 등, 변수가 많았어요. 변수에 조금만 변화가 생겨도 실리콘을 감싸야 할 재료들이 실리콘을 감싸지 않고 서로 반응을 하기도 하고, 아예 결합하지 않기도 했습니다. 원하는 실리콘만을 감싸게 만들도록 하는 점이 어려웠습니다. 무엇이 제일 중요한지는 한참 후에야 알았죠."

대용량의 배터리는 특히 차세대 이동 수단으로 불리는 전기 자동차 분야에서 활용될 가능성이 크다. 김 교수는 "전기 자동차가 사람들에게 많은 관심을 받고 있지만 충전 용량의 문제가 남아있다"고 말했다. "전기 자동차의 문제 중 하나는 한 번 충전해서 갈 수 있는 거리에 제한이 있다는 점이에요. 석유 연료를 이용하는 자동차는 연료 탱크를 키워서 저장할 수 있는 연료량을 늘일 수 있습니다. 전기 배터리도 할당된 부피와 무게 안에서 저장할 수 있는 전기의 양을 늘려야 해요. 지금은 전기 자동차가 1회 충전으로 이동할 수 있는 거리가 많지 않지만, 새로운 배터리로 이동 거리가 늘어나면 대중화에 도움이 될 것입니다."

창의력? 꾸준한 고민의 산물
석사와 박사 과정에서 모두 배터리를 연구한 김 교수는 "석사 과정 당시에는 한 번 충전해서 들고 다니기도 힘든 노트북을 썼는데, 미래에는 기능이 많고 가벼운 장비들이 더 강한 전지를 필요로 할 것이라고 생각했다"고 당시의 전망에 대해 얘기했다. 그는 "만들어낸 전지를 상용화하기 위해 에너지 밀도를 더 높이고, 가격을 더 낮추고 싶다"는 미래의 바람을 밝혔다.

대학시절부터 십 년이 넘게 연구를 이어온 김 교수는 "더 나은 연구자가 되기 위해 필요한 것은 창의력"이라고 말했다. "연구 논문 한 편을 쓴다고 연구자로서의 삶이 획기적으로 더 나아지는 일은 이제 없어요. 끊임없이 노력을 해야 독립적인 연구자로 남을 수 있습니다. 그렇게 하기 위해 연구자에게 가장 중요한 것은 창의력입니다." 그렇다면 창의력은 어디서 나오는 걸까. 김 교수는 "꾸준한 고민"이라는 의견과 함께 창의력을 키우기 위한 노력의 팁을 남겼다.

"창의력이 꼭 공부를 잘 한다거나, 괴팍하고 독특한 사람에게 많은 것은 아닙니다. 그저 꾸준히 고민을 하면 돼요. 여러분도 가끔 사소한 행동을 할 때 좋은 아이디어가 떠오를 때가 있었을 겁니다. 그건 우연이 아니라 계속된 몰입의 결과라고 생각해요. 샤워할 때도, 담배 한 모금 피러 나갈 때에도, 세수하거나 화장을 지울 때에도 고민을 하면 좋은 결과가 있을 거에요."

▲ 김한수 교수는 "연구자에게 필요한 것은 창의력"이라는 생각을 밝히며, "창의력은 꾸준한 고민에서 탄생한다"고 말했다. 


최정아 기자 shaoran007@hanyang.ac.kr
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사진/조유미 기자 lovelym2@hanyang.ac.kr

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