IBS, 나뭇잎 모양 나노구조물로 고성능 음극재료 개발

머니투데이

대전=허재구 기자

기초과학연구원(IBS)은 현택환 나노입자 연구단장(서울대 화학생물공학부 중견석좌교수)과 성영은 그룹리더(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀이 나뭇잎 모양을 이용한 고성능의 이차원 나노구조물을 개발했다고 5일 밝혔다.

개발된 물질은 각종 에너지 저장·공급 장치로 널리 이용되는 리튬이온전지의 음극재료로 용량이 크고 안정성이 높은 것으로 나타났다.

나노복합구조물과 나뭇잎의 모식도 및 전자현미경 사진. 탄소복합구조물의 모습은 나뭇잎의 모습과 비슷하다. 얇은 이차원 구조를 가지고 있으며(1행-좌:전자현미경 사진, 우:나뭇잎 모식도), 탄소복합구조물의 확대된 모습을 위에서 (혹은 옆에서) 보면 나노기공이 정렬돼 있다 (2,3행-좌:전자현미경 사진, 우:나뭇잎 모식도). 나노복합구조물은 탄소복합구조물의 나노기공에 산화주석 나노입자를 삽입하여 만들었다 (4행:전자현미경 사진)./자료제공=IBS

연구진에 따르면 이 음극재료의 용량 1000mAh/g으로 현재 상용화된 흑연(372mAh/g)의 3배나 큰데다 300회 충전 및 방전이 진행되는 동안 단 3%의 용량저하만을 보였다.

또한 20분간 급속 충·방전에도 20%의 용량이 저하되는 등 우수한 출력을 보였다.

이들은 나뭇잎 모양의 탄소나노구조물을 개발, 큰 부피변화가 발생할 때 발생되는 안정성의 문제를 해결했다.

지금까지 리튬이온전지를 가볍게 만들기 위해 고용량의 음극 물질을 연구했지만 충·방전 시 부피변화에 따른 문제가 동반됐다.

또 전극 재료를 나노 입자로 만들면 부피는 줄지만 늘어난 표면적 때문에 주반응이 아닌 부반응이 증가하는 단점이 있었다.

하지만 연구진은 나뭇잎 모양의 이차원 탄소나노구조물에 나노기공(Nanopore)을 넣고 그 기공 안에 산화주석(SnO2) 나노입자를 주입했다.

탄소 내부는 정육면체의 나노기공들이 배열돼 있어 부피가 크면서도 안정성을 유지할 수 있었다.

이번에 이들이 개발한 이차원 구조는 리튬이온전달에 용이하고 전도성 탄소를 이용해 전자전달도 유리하다.

이는 리튬이온전지에서 충·방전 시간을 짧게 만드는 주요 요인으로 출력 특성이 우수함을 보여준다는 것이 연구진의 설명이다.

이 연구를 주도한 성영은 그룹리더는 "이번 연구성과는 기존에 개발하기 힘들었던 이차원구조, 기공구조, 정렬구조를 하나의 나노소재에 동시에 구현했다는데 큰 의미가 있다" 며 "나노복합구조물에 산화주석 이외에 다른 물질도 삽입할 수 있어 향후 다양한 조합의 고성능 음극 물질 개발을 기대할 수 있을 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구 성과는 화학분야 세계 최고 권위 학술지인 미국화학회지(JACS) 9월 1일자 온라인판에 게재됐다.