벼를 도정해 쌀을 만드는 과정에서 나오는 부산물인 왕겨를 이용해 출력과 수명이 긴 고용량 리튬이온 이차전지용 실리콘 음극소재 물질을 우리 연구진이 개발했다.
지금 흔히 사용되는 리튬이온 이차전지 음극으로는 흑연이 주로 쓰인다.
이렇게 흑연을 이용한 전극은 전하량이 365mAh/g 로 낮기 때문에 우수한 용량 특성을 지닌 리튬 이차전지를 만드는데 한계가 있다.
그래서 전 세계 과학자들은 이런 흑연전극을 대체할 물질로 실리콘에 관심을 기울이고 있다.
실리콘은 전하용량이 4,200mAh/g로 흑연전극보다 10배 정도 높아 미래형 음극 소재로 각광받고 있다.
그러나 실리콘 음극소재는 충전과 방전을 거듭하면 부피가 늘어나고 벗겨지는 현상이 생겨 충방전 가능횟수가 흑연의 1/10 정도로 줄어드는게 문제였다.
그런데 KAIST 최장욱 교수팀은 왕겨 내부에 존재하는 다공성 천연 실리카 물질을 분리, 정제해 고용량 리튬이온 이차전지 음극소재인 3차원 다공성 실리콘 물질을 개발하는데 성공했다.
이 물질은 왕겨 내부에 있는 쌀을 외부 바이러스나 해충으로부터 보호하고 저장성이 좋아지도록 다공성 나노구조로 돼 있는 점을 최 교수팀은 착안했다.
왕겨 표피에 존재하는 다공성 실리카에서 3차원 구조의 다공성 실리콘 입자를 추출해 음극소재로 활용할 경우 충방전시 부피의 팽창과 수축으로 인한 문제가 개선됐다.
최장욱 교수는 "이렇게 만든 음극은 현재의 흑연전극처럼 500회 정도 충방전이 가능하다"고 설명했다.
특히 값 비싼 나노구조의 합성공정을 거치지 않고 우리 주변에서 흔히 구할 수 있는 벼의 부산물을 사용함으로써 저렴한 가격으로 실리콘 음극물질을 생산할 수 있게 된 것이다.
최 교수 팀은 폐자원이나 저부가가치 산업에 쓰이던 왕겨를 고부가가치화를 위한 에너지 자원활용이라는 측면에서 이번 연구를 통한 기술력 확보에 기여할 것으로 기대하고 있다.