'금속 산화물 갈바닉 부식'으로 3배 높은 용량 리튬이온전지 개발

국내 연구진이 기존 리튬이온전지보다 3배 높은 에너지 저장 능력을 증가시키는 기술을 개발했다. 지금까지 금속에서만 가능했던 다공성 나노입자를 금속 산화물에서도 구현해 전기 자동차·고효율 태양전지·광촉매 등 다양한 분야에서 활용될 전망이다.현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단장은 "태양전지처럼 에너지 장치 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 `산화물 나노 입자의 갈바닉 부식 작용 기전`을 규명했다"고 23일 밝혔다. 갈바닉 교환 반응은 금속이 부식되는 현상 중 하나다. 금속 나노입자 가운데 공간을 만들어 촉매 활성에 사용하거나 약물을 담아 전달할 수 있는 장점이 있다.

지난 2002년 미국 워싱턴 대학 연구진이 처음으로 갈바닉 교환 현상으로 은 나노입자를 금 나노입자로 변환시킨 실험 결과를 발표했다. 은을 금으로 둔갑시키는 이 기술은 현대판 연금술로 불린다. 현 단장은 지금까지 금속 물질에만 가능했던 갈바닉 교환 가능을 금속 산화물에도 적용시켰다.

연구단은 금속 갈바닉 부식 원리를 반대로 적용해 산화망간 나노입자와 철 과염소산염 수용액 반응으로 산화철·산화망간 이종접한 구조인 박스형태 나노입자를 생성시켰다. 이후 철 과염소산염 농도를 증가시켜 속이 텅 빈 새장 형태 산화철 나노입자(다공성 나노입자)로 변화시켰다.

속이 빈 나노 구조는 더 많은 저장 공간을 확보하고 공간을 통해 물질 이동을 원활하게 한다. 연구단은 리튬이온전지 실험으로 획기적으로 증가된 에너지 저장 능력을 입증했다. 산화철·산화망간 이종접한 나노구조를 리튬이온전지 음극으로 사용했을 때 흑연 음극보다 최대 3배 높은 용량을 보였다. 많은 충·방전 후에도 성능저하(0.5% 미만)가 거의 없었다.

현 단장은 "망간과 철 산화물 나노입자 뿐 아니라 코발트와 주석 산화물, 망간과 주석 산화물 등 다금속과 다공성 금속 산화물 나노입자 제조에 광범하게 적용할 수 있다"며 "대량 생산도 가능해 의약품과 MRI 조영제 등 생의학 분야 발전에도 기여할 것"이라고 기대했다.

이 연구 결과는 `사이언스` 24일 본지에 게재됐다.

권동준기자 djkwon@etnews.com