거미줄 모방한 리튬이온전지 전극 소재 개발…효율 증대
  • 강정의 기자
  • 승인 2017.09.07 15:30
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▲ 거미줄 모방 전극 모식도와 탄소나노튜브/금속산화물 복합체 웹 전극 소재의 합성 모식도. 한국연구재단 제공

국내 연구팀이 거미줄을 모방한 리튬이온전지 전극 소재로 전지의 효율을 높일 수 있는 기술을 개발했다. 7일 한국연구재단에 따르면 성균관대 박호석 교수 연구팀은 거미줄의 구조와 기능을 모방해 리튬이온전지의 핵심 소재인 고성능 전극 활물질을 개발하는 데 성공했다. 이번 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지인 어드밴스드 에너지 머터리얼즈 9월 6일 자에 게재됐다.

리튬이온전지는 리튬 이온을 캐리어로 사용함으로써 전기화학적 산화-환원 반응을 통해 충방전 반복이 가능한 2차 전지로 스마트폰과 노트북 등에 사용되고 있다. 현재 리튬이차전지의 음극 소재로 쓰이고 있는 흑연의 용량 한계를 극복하기 위해 고용량 실리콘, 전이금속 산화물 등 다양한 소재들이 개발되고 있지만 대부분 낮은 전기 전도도로 인해 충전과 방전 속도가 느려지거나 충·방전 시 발생하는 부피 팽창으로 인해 율속 특성(충방전 속도를 높임에 따른 용량 유지율이 좋아지거나 나빠지는 특성)과 장기 안정성이 저하되는 한계가 있다.

연구팀은 거미줄로 벌레를 포획하는 것과 같이 고용량의 철 산화물 나노입자를 3차원 탄소나노튜브 웹 네트워크에 고정시켰다. 그 결과 고용량에서 300회 이상 충방전 시에도 88% 이상의 용량을 유지하고 충전 속도를 20배 빠르게 높여도 70% 이상의 율속 특성을 보이는 전극 활물질을 개발했다.

연구팀은 물에 콜로이드입자를 분산시켜 얼리고 얼음 결정이 성장하면 압력을 낮춰 얼음 결정으로 공극을 만드는 주형 과정인 얼음주형법을 활용해 거미줄 형태의 3차원 웹 구조로 다중벽 탄소나노튜브를 조립했다.

여기에 오존 처리를 해 거미줄처럼 끈적이는 기능을 갖도록 표면특성을 제어했다.

강정의 기자 justice@ggilbo.com

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