장기간 사용해도 성능 저하가 거의 없고 에너지 저장용량도 큰 차세대 리튬이온전지용 게르마늄 음극소재가 개발됐다. 생산 공정도 쉽고 저렴해 상용화에도 유리하다는 평가다. 이 기술이 상용화되면 전기차용 배터리 성능 등을 획기적으로 개선할 수 있을 것으로 기대된다.
전남대 신소재공학부 박찬진 교수팀은 간단한 저가공정을 이용해 차세대 리튬이온전지용 게르마늄 음극소재를 개발했다고 15일 밝혔다.
전기차 등의 배터리로 쓰이는 리튬이온전지용 음극소재는 실리콘이나 게르마늄이 주목받고 있다. 기존 흑연에 비해 더 많은 양의 리튬을 저장할 수 있어 고속 충·방전에 유리하기 때문이다. 하지만 많은 양의 리튬을 저장하는 만큼 급격한 부피변화 때문에 충·방전 반복 시 성능이 저하되는 것이 단점이다. 특히 게르마늄은 실리콘에 비해 재료 내 리튬 확산속도가 100배 크지만 제조비용이 높았다.
연구팀은 게르마늄 입자 표면에 탄소가 결합된 독창적 구조의 안정적인 리튬이온전지용 음극소재를 개발했다. 저가 상용 이산화게르마늄 용액과 산의 혼합과 열처리 공정으로 이뤄지는 비교적 간단한 공정이다.
이렇게 만든 게르마늄·탄소 음극소재는 1000회의 충·방전에도 초기 에너지 저장용량의 99%를 유지, 용량감소가 거의 없는 것으로 나타났다. 기존보다 100배 빠른 고속 충·방전에도 초기 용량의 70% 이상이 유지됐다.
박 교수는 “짧은 수명 때문에 상용화되지 못했던 게르마늄 음극소재 단점을 극복할 수 있는 실마리를 발견했다”며 “게르마늄 음극소재는 전지 사용시간이 관건인 전기차, 모바일 기기, 대용량 에너지 저장 시스템 등에 최적화된 이차전지 개발에 중요한 기반이 될 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 일반연구자지원사업으로 수행됐고, 연구결과는 국제학술지 ‘어드밴스트 펑셔널 머티리얼스’ 6월 24일자 온라인판에 게재됐다.
권건호기자 wingh1@etnews.com
