포스텍(총장 김도연)은 박수진 화학공학과 교수팀과 김일두 KAIST 신소재공학과 교수팀이 공동으로 음극 소재로 활용할 수 있는 일차원 구조의 불규칙 배열을 가진 이종금속을 개발했다고 11일 밝혔다.
스마트폰과 하이브리드차, 전기차와 같은 친환경 자동차 시장이 점차 확대되면서 리튬이온 전지에 대한 수요도 크게 늘어나고 있다. 하지만 상용화된 리튬이온 배터리는 흑연을 음극으로 사용하는데, 흑연이 시간이 지나 팽창하는 성질을 가지고 있어 이를 고려해 배터리를 설계하다보면 배터리의 용량이 줄어들 수밖에 없다. 자동차 등에 활용되는 높은 용량의 배터리를 위해서는 차세대 음극 소재에 대한 연구가 진행될 수밖에 없다.
실리콘이나 게르마늄을 활용한 음극 소재가 그 대안으로 개발되긴 했지만, 용량은 높일 수 있어도 전기전도도가 낮아 출력을 높일 수가 없어 전기자동차와 같은 큰 전지에는 적용할 수 없었다.
연구팀은 원자 단위에 주목했다. 일반적으로 2종류 이상의 금속이 열반응을 거치면 특정 비율의 합금이 생겨나는데, 게르마늄과 아연을 열반응 시키면 특정 비율이 아니라 원자단위로 불규칙적인 배열의 합금으로 바뀌게 된다.
연구팀은 이 합금을 일차원적 구조로 합성시켜 리튬이온전지에 적용해 실시간 전자현미경으로 관찰한 결과, 일차원적 구조가 게르마늄 물질의 문제점으로 부각됐던 부피 팽창을 완화한다는 사실을 확인했다. 또 아연이 게르마늄 원자 사이사이에 들어가 전자의 이동속도를 높이며 출력을 높이는 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다.
박수진 교수는 “이번 연구는 단순한 금속간 불규칙적인 배열을 통해 전기화학적 특성을 더욱 높인 새로운 형태의 소재를 제안한 연구이다. 다양한 금속 조합을 통해 각 전지의 목적에 맞는 전극 소재 개발 가능성을 열었다는데 의미가 있다”고 평가했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
