그림1. 나노복합구조물(좌)와
나뭇잎(우)의 모식도 및 전자현미경 사진

국내 연구진이 나뭇잎 모양의 이차원 탄소나노구조물을 개발, 각종 에너지 저장·공급 장치로 사용되는 리튬이온전지 음극재료의 용량과 안정성을 크게 높였다.

기초과학연구원(IBS·원장 김두철)의 나노입자연구단 현택환 단장(서울대 화학생물공학부 중견석좌교수)과 성영은 그룹리더(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀은 나뭇잎 모양의 2차원 탄소나노구조물을 이용해 기존 흑연 소재보다 용량이 3배에 이르면서 안정성도 높은 새로운 리튬이온전지 음극을 개발했다고 밝혔다.

연구진은 이 연구에서 나뭇잎 모양의 탄소나노구조물을 개발해 흑연보다 용량이 큰 음극재료인 산화주석의 충·방전 시 부피변화 문제를 해결했다. 연구팀이 개발한 복합나노구조물의 용량은 약 1천㎃h/g으로 흑연 음극(약 372㎃h/ｇ)의 3배에 이르고 300회 충전 및 방전이 진행되는 동안 단 3%의 용량저하만 보인 것으로 나타났다. 20분간 급속 충·방전에도 20% 용량만이 저하되는 등 우수한 출력을 보였다.

지금까지 리튬이온전지를 가볍게 만들기 위해 고용량 음극물질이 연구돼 왔지만 충·방전 시 부피변화가 걸림돌로 작용했다. 또한 나노 입자로 전극 재료를 만들면 부피는 줄지만 늘어난 표면적 때문에 주반응이 아닌 부반응이 증가하는 단점이 있다.

연구진은 나뭇잎 모양의 이차원 탄소나노구조물에 나노기공(Nanopore)을 넣고, 이 기공 안에 산화주석(SnO₂) 나노입자를 주입하는 방법으로 위와 같은 문제들을 해결했다고 밝혔다. 탄소 내부는 정육면체의 나노기공들이 배열돼 있어 부피가 크면서도 안정성을 유지할 수 있다는 것이다.

그림2. 나노복합구조물의 리튬 삽입 전과 후의 모식도 및 전자현미경 사진

또한 연구진이 개발한 이차원 구조는 리튬이온 전달에 쉽고 전도성 탄소로 전자 전달도 유리하다. 이는 리튬이온전지에서 충·방전 시간을 짧게 만들어 출력 특성을 높여준다.

연구진은 “이번 연구는 기존에 개발하기 어려웠던 ‘이차원구조, 기공구조, 정렬구조’를 하나의 나노소재에 동시에 구현했다는 데 큰 의미가 있다”며 “이 음극재료는 ‘고용량·고출력·고안정성’의 전기적 특성을 동시에 만족시킨다”고 설명했다.

그림3. 나노복합구조물,탄소복합구조물,산화주석입자의 충방전에 따른 용량변화

성영은 교수는 "이번에 개발한 나노복합구조물에는 산화주석 외에 다른 물질도 삽입할 수 있어 향후 다양한 조합의 고성능 음극 물질 개발을 기대할 수 있다"고 말했다. 이번 연구 결과는 국제학술지 '미국화학회지'(JACS, 9월 1일자) 온라인판에 게재됐다.

대외협력실 김한섭