□ 국제과학비즈니스벨트 핵심 연구기관인 IBS(원장 오세정·기초과학연구원)「나노입자연구단」의 현택환 단장(서울대 화학생물공학부 중견석좌교수)은 리튬이온배터리, 태양전지와 같은 에너지 소자의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 “산화물 나노입자의 갈바닉 부식 작용기전”을 규명하였다. 이 연구결과는 세계 최고 권위 학술지인 「사이언스 (Science)」 5월 24일 본지에 게재됐다.

※ 논문 제목 : ‘금속 산화물 나노입자에서의 갈바닉 교환반응 (Galvanic Replacement Reactions in Metal Oxide Nanocrystals, 제 1저자 : 나노입자연구단 선임연구원 오명환, 교신저자 : 나노입자연구단장 현택환)

o 연구단은 금속에만 적용되던 갈바닉(Galvanic) 부식원리를 금속산화물 나노입자에 역으로 적용하여 리튬이온전지 음극의 용량을 최대 3배까지 향상시켰다고 밝혔다.

□ 연구단은 금속의 갈바닉 부식원리를 반대로 적용하여 산화망간 나노입자와 철 과염소산염 수용액과의 반응으로 산화철·산화망간 이종접합구조인 나노박스(nanobox)가 생성됨을 확인했으며, 철 과염소산염의 농도를 증가시킴에 따라 속이 텅 빈 산화철 나노새장(nanocage)으로 변환됨을 밝혀냈다.

o 갈바닉 교환 갈바닉 교환반응은 금속이 부식되는 작용기전 중 하나로, 금속 나노재료의 성능을 획기적으로 개선하는 쉽고 간단한 방법이다. 갈바닉 교환반응을 이용하면 여러 가지 금속이 섞여있으면서도 다공질인 독특한 구조를 만들 수 있다. 이러한 구조는 촉매활성이 뛰어나고 약물전달체로서 유리하다.

o 연구단은 금속의 갈바닉 교환과정과는 반대로 금속산화물에 포함된 환위전위가 높은 금속 이온을 용해시키고, 환원전위가 낮은 금속 이온을 새로운 금속산화물로 침적시킴으로써 최초로 금속산화물 나노입자의 갈바닉 부식을 증명했다.

o 이렇게 생성된 나노박스와 나노새장의 속이 빈 구조는 더 많은 공간을 확보하게하고 다공성 구조는 물질의 이동을 원활하게 해줘 에너지 저장능력을 획기적으로 증가시키는 것으로 리튬이온전지 실험에서 확인되었다.

o 산화철과 산화망간 이종접합 나노구조를 리튬이온전지의 음극으로 사용하였을 때 흑연을 음극으로 사용 것보다 최대 3배의 높은 용량을 보였으며 수많은 충·방전 이후에도 성능저하(0.5% 미만)가 거의 없었다.

□ 현택환 단장은 “전위 금속 산화물은 상용화된 흑연보다 이론적으로 큰 용량을 발현할 수 있어 차세대 음극 재료로 주목 받아왔지만 배터리 충·방전 시 물질의 부피 변화가 커 장기적 성능 저하가 큰 문제였다”며, “이번에 규명된 금속 산화물에서의 갈바닉 반응을 리튬이온전지의 음극 물질에 적용해 작동전압을 쉽게 조절하며 용량 및 안정성을 증가시켰다”고 밝혔다.

□ 이번 연구결과는 갈바닉 부식공정을 이용한 속이 빈 산화물 나노입자의 합성을 통해 고성능 배터리를 개발할 수 있는 길을 열었다는 점에서 의미가 있다.

o 특히 이 과정은 망간과 철 산화물 나노입자뿐 아니라, 코발트와 주석 산화물, 망간과 주석 산화물 등 다금속 및 다공성 금속산화물 나노입자의 제조에 광범위하게 적용되며, 대량생산이 가능함에 따라 의약품과 MRI 조영제 등 생의학 분야 발전에도 기여하여 인류의 건강권에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상된다.

첨부 : 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명, 연구자 이력사항