국내 연구진이 리튬이온전지 저장용량과 출력밀도를 대폭 개선할 수 있는 음극 소재를 개발했다.
박찬진 전남대 신소재공학부 교수팀은 간단한 공정으로 저장용량은 기존 흑연 소재 전극보다 네 배가량 늘리고 출력밀도는 40배 이상 높일 수 있는 저비용 고출력 게르마늄 음극 소재를 개발했다고 21일 밝혔다.
이 연구결과는 한국연구재단 지역대학우수과학자 지원사업 일환으로 수행됐다. 국제학술지 `에너지와 환경 과학‘ 8월 17일자에 게재됐다.
연구진은 ‘졸겔법’을 이용해 이산화게르마늄(GeO₂) 나노입자를 만들고 이를 고분자물질(PVP)과 혼합하는 방법으로 독창적인 구조를 갖는 이차전지 음극소재를 만들었다. 이 소재는 탄소가 나노 게르마늄 입자를 감싸는 구조다. 현무암과 유사한 3차원 다공성 구조로 돼 있어 반복적으로 충방전을 할 때 부피팽창을 완화할 수 있다.
연구진이 이 음극소재를 리튬이온에 적용한 결과 저장용량이 흑연의 4배 이상, 고속으로 1000회 충방전해도 초기 용량의 89%가 유지돼 성능 저하가 거의 없는 것으로 확인됐다.
이 음극소재는 3초 만에 완전 급방전시키더라도 흑연이 방전할 때 내는 단위당 전기량보다 120% 정도 더 많은 장점이 있다.
게르마늄(Ge)은 기존 전극 소재인 흑연(C)보다 많은 양의 리튬을 저장할 수 있어 차세대 리튬이온전지 전극 소재로 주목받았지만 충방전 때 급격한 부피변화를 일으켜 반복 사용 시 성능이 떨어지는 단점이 있었다.
박찬진 교수는 “저가 원료물질을 사용하고 간단한 열처리 공정만으로 3차원 나노 다공성 구조 게르마늄-탄소 복합체를 제조할 수 있어 소재의 양산 가능성도 크다”고 설명했다.
박희범기자 hbpark@etnews.com