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<신기술1>
거미줄 모방, 리튬이온전지 핵심소재 개발 느린 충·방전 속도 & 기능 저하 문제 해결 거미줄을 모방한 청색기술이 고용량 전지 소재의 한계로 꼽히는 느린 충·방전 속도와 기능저하 문제를 해결할 수 있을 전망이다. 한국연구재단(이사장 조무제)은 박호석 교수(성균관대) 연구팀이 거미줄의 구조와 기능을 모방해 리튬이온전지의 핵심 소재인 고성능 전극 활물질을 개발했다고 밝혔다. 자료 : 한국연구재단
현재 리튬이차전지의 음극 소재로 사용되고 있는 흑연의 용량 한계(약 370mA h/g)를 극복하기 위해 고용량 실리콘, 전이금속 산화물 등 다양한 소재들이 개발되고 있다. 그러나 대부분의 고용량 소재는 낮은 전기 전도도로 인해 충전과 방전속도가 느려지거나, 충·방전 시 발생하는 부피 팽창으로 인해 율속 특성과 장기 안정성이 저하되는 문제점이 있다. 연구팀은 이러한 문제점을 개선하기 위해 거미가 거미줄로 벌레를 포획하는 방식에서 힌트를 얻어 고용량의 철 산화물 나노 입자를 3차원 탄소나노튜브 웹 네트워크에 고정시킨 후, 빠른 전하이동으로 전자와 리튬이온의 느린 확산속도를 극복했다.
또한, 구조적 안정성에 의해서 부피팽창 시 발생하는 응력을 완화시키는데 성공했다. 그 결과 820mA h/g 이상 고용량에서 300회 이상 충·방전 시에도 88% 이상의 용량을 유지하고, 충전속도를 20배 빠르게 높여도 70% 이상의 율속 특성을 보이는 전극 활물질을 개발했다. 뿐만 아니라 연구팀은 얼음주형법을 활용, 거미줄 형태의 3차원 웹 구조로 다중 벽 탄소나노튜브를 조립했다. 여기에 오존처리를 해서 거미줄처럼 끈적이는 기능을 가지도록 표면특성을 제어했다.
고용량 이차전지소재에 적용 기대 박호석 교수는 “이 연구는 생체모방기술을 통해 고용량 소재의 퇴화와 느린 충·방전 속도를 해결할 수 있는 원천기술을 개발한 것”이라며, “리튬이차전지 뿐만 아니라, 다양한 고용량 이차전지소재에 적용될 수 있을것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다. 기존 기술로 해결하지 못한 기술적 난제를 극복하기 위해 자연계 모방기술을 활용해서 에너지저장 신소재 디자인을 위한 새로운 접근방법을 제시했다. 또한, 이차전지 소재뿐 아니라, 연료전지, 슈퍼커패시터, 태양전지, 액츄에이터, 센서, 전기화학 촉매 등 다양한 전기화학 시스템의 소재 개발에 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 철 산화물의 결정상에 따라서 고용량 리튬이온전지 음극 활물질뿐만 아니라, 가벼운 에어로젤 혹은 분말 형태의 자성체로도 활용되는 등 다양한 기능성 소재에 적용될 수 있을 것으로 기대된다. [그림 1] 거미줄 모방 전극 모식도와 탄소나노튜브/금속산화물 복합체 웹 전극소재의 합성 모식도 (a)자연계 거미줄 구조 및 기능을 모방한 전극 디자인 모식도. (b)오존 처리, 얼음 주형법, 동결 건조, 열처리를 통한 거미줄 모방 3차원 탄소나노튜브/금속산화물 복합체 웹 전극소재의 합성 모식도
[그림 2] 연구팀이 개발한 소재 실험 사진(a)거미줄을 모방한 3차원 탄소나노튜브/철 산화물 복합체 소재를 이용한 매우 가벼운 에어로젤 형태(4cm 정도의 크기에도 나뭇잎 위에 얹을 수 있음)의 전극소재 제작과 이를 활용한 전지 구현. (b)열처리 후에 자성을 띄어 자석에 의해서 소재의 움직임을 제어함.
이 연구성과는 교육부·한국연구재단의 글로벌연구네트워크 지원사업과 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업의 지원으로 수행됐다. 또한, 에너지 분야 국제학술지 어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials) 9월 6일자에 속표지 논문으로 게재됐다. 논문명과 저자정보는 다음과 같다.
-논문명 : Biomimetic Spider-Web-Like Composites for Enhanced Rate Capability and Cycle Life of Lithium Ion Battery Anodes -저자 정보 : 박호석 교수(교신저자), 팔랍 바타차랴(1저자), 마니칸탄 코타(공동저자), 서동훈(공동저자, 이상 성균관대학교), 노광철(공동저자, 한국세라믹연구원)
용어설명 1. 청색기술(Blue Technology) : 자연과 생물 등이 가진 특성을 모방해 과학기술과 접목시키는 생체모방기술 분야, 또는 자연친화적 기술개발을 통칭한다. 2. 리튬이온전지 : 리튬이온을 캐리어로 사용, 전기화학적 산화·환원 반응을 통해 충·방전 반복이 가능한 2차 전지. 스마트폰과 노트북 등 기타 다양한 디바이스에 사용된다.
3. 전극 활물질 : 리튬이온전지 4가지 구성요소 중 리튬산화물로 만들어진 양극, 탄소화합물로 만들어진 음극, 양극과 음극에서 리튬이온이 이동할 수 있도록 매개체 역할을 하는 전해액, 양극과 음극이 직접 접촉하는 것을 방지하는 분리막이다. 이중 리튬이온을 저장할 수 있는 양극과 음극을 통칭하여 전극 활물질이라 한다. 4. 율속 특성 : 충전 방전 속도를 높임에 따른 용량 유지율의 좋고 나쁨을 의미하는데 이때 충전 방전 속도를 C로 표현한다. 1C는 전지 용량을 1시간 내에 사용하는 것을 말하고 2C는 30분, 4C는 15분, C/2는 2시간 내에 각각 사용하는 것으로 물리적인 의미는 ‘용량/시간’으로 표현한다. 6. 탄소나노튜브 : 탄소 6개가 Sp2 결합에 의해 이루어진 육각형 고리로 연결된 긴 대롱 모양을 이루는 1차원 관 형태의 탄소나노소재로, 열전도율 및 기계적, 전기적 특성이 우수하여 차세대 첨단 소재로 주목받고 있다. 7. 얼음주형법 : 물에 콜로이드입자를 분산시켜서 얼린 경우, 얼음 결정이 성장하게 되고, 이를 압력을 낮춰 승화시킴으로써 얼음 결정으로 공극을 만드는 주형 과정을 말한다. 물을 얼리거나 승화시키는 과정을 제어하면 다층형 혹은 규칙적인 공극 구조를 만드는 등의 제어를 할 수 있다. 8. 오존처리법 : 오존(o3)이 갖는 강한 산화력을 이용하여 수용액이나 기상 등에 존재하는 물질을 산화 분해하는 처리법으로, 본 연구에서는 탄소나노튜브의 표면을 산화시킴으로써 다양한 산소 관능기를 발생시킨다. <Energy News>
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