국내 연구진이 금속 산화물 나노입자의 갈바닉 교환반응 작용기전을 규명해, 차세대 고효율 배터리 개발의 길을 열었다.
나노입자연구단(단장 현택환)은 리튬이온배터리, 태양전지와 같은 에너지 소자의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 '산화물 나노입자의 갈바닉 부식 작용기전'을 규명했다.

이 연구결과는 오명환 선임연구원을 제1저자로, 현택환 단장을 교신저자로 해 6월 24일 세계 최고 권위학술지인 '사이언스' 본지에 게재됐다.

갈바닉 교환반응은 환원전위가 낮은 금속이 환원전위가 높은 금속이온을 만날 경우, 전위가 낮은 금속은 산화·용해되고 전위가 높은 금속이온은 환원돼 환원전위가 낮은 금속표면에 달라붙는 현상을 말한다. 다금속성이면서 다공질이고 중공(속이 빈 상태) 나노입자를 생산하는 가장 간단하고 직접적인 방법이다.

하지만 기존에는 갈바닉 교환반응은 오직 금속 나노입자에만 적용 가능하다는 통설이 지배적이었다. 전자를 교환하기 때문에 염이나 세라믹, 금속 산화물 같이 전기전도성이 작은 이온결정에서는 일어나지 않을 것이란 추정 때문이다.

연구진은 '전기전도성이 낮은 물질이라 하더라도 입자 크기가 작아지면 전자 이동거리가 현저히 짧아져 갈바닉 교환반응이 일어날 수 있다'고 가정하고 금속 갈바닉 부식원리를 반대로 적용했다. 산화물에 포함된 환위전위가 높은 금속이온을 용해시키고, 환원전위가 낮은 금속이온을 새로운 금속산화물로 침적시킨 것이다.

그 결과 산화망간 나노입자와 철 과염소산염 수용액과의 반응으로 산화철·산화망간 이종접합구조의 나노박스가 생성됨을 확인했다. 또 철 과염소산염 농도를 증가시킴으로써 속이 텅 빈 산화철 나노새장(nanocage)으로 변화되는 것을 밝혀냈다.

한발 더 나가 이렇게 생성된 나노박스를 이용한 차세대 고효율 배터리 개발 가능성을 실험을 통해 입증했다.
산화철과 산화망간 이종접한 나노구조를 리튬이온전지 음극으로 사용한 결과, 흑연을 사용했을 때보다 최대 3배 높은 용량을 보였으며 수많은 충·방전 이후에도 성능저하가 거의 없음(0.5% 미만)을 확인했다.

현택환 단장은 "전위 금속 산화물은 상용화된 흑연보다 이론적으로 더 큰 용량을 발현할 수 있어 차세대 음극재료로 주목받아왔지만, 충·방전 시 물질의 부피 변화가 커 장기적 성능저하가 있었다"면서 "이번에 규명된 금속 산화물에서의 갈바닉 반응을 적용할 경우 작동전압을 쉽게 조절할 수 있으며 용량 및 안정성을 증가시킬 수 있다"고 의미를 부여했다.

금속 산화물 나노입자의 갈바닉 교환반응의 일반성이 규명됨에 따라 코발트와 주석산화물, 망간과 주석산화물 등 다금속 및 다공성 나노입자 제조에 광범위하게 적용될 전망이다. 또 이를 이용한 의약품과 MRI 조영제 등 생의학 분야 발전에도 기여할 것으로 예상된다.