다아라 매거진 _ 2017.10

기술뉴스

[Technical News]거미줄 모방 리튬이온전지 전극 소재 개발…다양한 기능성 소재에 적용 가능

고용량 전지 소재 한계, ‘느린 충·방전 속도’ 및 ‘기능저하’ 문제 해결 전망

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거미줄 모방 전극 모식도와 탄소나노튜브/금속산화물 복합체 웹 전극 소재의 합성 모식도


최근 기후변화대응에 대한 관심이 커지고 모바일전자기기, 전기자동차, 에너지저장시스템(ESS) 시장이 발전해 기존 리튬이온전지의 성능을 극복하면서 고용량 에너지저장소재의 필요성이 대두되고 있다.

현재 상용화된 음극 소재인 흑연은 이론용량이 약 370mA h/g으로 제한돼 이를 대체하기 위해 고용량 실리콘, 전이금속산화물 등 다양한 소재가 개발되고 있지만, 대부분의 고용량 소재가 그렇듯 느린 충·방전 속도와 부피 팽창으로 인한 장기안정성 저하가 한계로 지적돼 왔다.

이에 한국연구재단은 성균관대 박호석 교수 연구팀이 거미줄의 구조와 기능을 모방해 리튬이온전지의 핵심 소재인 고성능 전극 활물질을 개발했다고 밝혔다. 거미줄을 모방한 청색기술을 통해 고용량 전지 소재의 한계로 꼽히는 느린 충·방전 속도 및 기능저하 문제점을 해결할 수 있을 전망이다.

박호석 교수 연구팀은 거미줄로 벌레를 포획하는 것과 같이 고용량의 철 산화물 나노입자를 3차원 탄소나노튜브 웹 네트워크에 고정시켰다. 그 결과 820mA h/g 이상 고용량에서 300회 이상 충·방전 시에도 88% 이상의 용량을 유지하고, 충전 속도를 20배 빠르게 높여도 70% 이상의 율속 특성을 보이는 전극 활물질을 개발했다.

또, 얼음주형법(ice templating method)을 활용해, 거미줄 형태의 3차원 웹 구조로 다중벽 탄소나노튜브를 조립한 후, 여기에 오존 처리를 해서 거미줄처럼 끈적이는 기능을 가지도록 표면특성을 제어했다.

이러한 과정을 통해 새로이 개발된 기술은 이차전지 소재뿐 아니라, 연료전지, 슈퍼커패시터, 태양전지, 엑츄에이터, 센서, 전기화학 촉매 등 다양한 전기화학 시스템의 소재 개발에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

또한, 철 산화물의 결정상에 따라서 고용량 리튬이온전지 음극 활물질뿐만 아니라, 매우 가벼운 에어로젤 혹은 분말 형태의 자성체로도 활용하는 등 다양한 기능성 소재에도 적용될 수 있을 것으로 전망되고 있다.

박호석 교수는 “이 연구는 생체모방기술을 통해 고용량 소재의 퇴화와 느린 충방전 속도를 해결할 수 있는 원천기술을 개발한 것으로 리튬이차전지뿐 아니라 다양한 고용량 이차전지소재에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명하고, “향후에는 거미줄 모방 탄소나노구조체 소재를 다양한 이차전지 시스템에 적용해서 고용량 소재가 겪는 율속 성능 및 안정성 저하 문제를 해결하기 위한 연구를 진행할 예정”이라고 전했다.

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