리튬이온전지 성능 2배↑ 혁신 소재 세계 최초 개발

조채용 부산대 교수팀, 순수 풀러렌 결정질 나노입자 추출 성공
에너지 저장용량 2배 높아, 음극재 흑연 대체 가능

[사진=게티이미지뱅크]

[아시아경제 김봉수 기자] 리튬이온 이차전지에 쓰이는 흑연을 대체해 2배 이상의 저장 용량을 갖도록 하는 소재가 개발됐다.

한국연구재단은 조채용 부산대 교수 연구팀이 새로운 열증발-냉각법을 개발해 수백 나노미터 크기의 균일하고 순수한 풀러렌 결정질 나노입자를 얻는데 성공했다고 31일 밝혔다.

풀러렌(C60)은 탄소 원자 60개가 축구공 모양으로 모인 물질로, 매우 안정한 탄소 동소체 중의 하나다. 리튬이온 이차전지의 음극 소재인 흑연을 대체할 수 있는 물질로 연구가 이뤄지고 있다. 그러나 기존 합성법으로는 비정질 형태로 크기도 불균일한 풀러렌을 얻을 수 밖에 없어 한계가 있었다.

(그림 1) C60 나노입자의 전기화학적 성능 및 형상/미세구조 - 본 연구에서 합성된 C60 나노입자와 비교 시료 (raw C60 and HGC60 분말)의 충방전 사이클에 따른 비용량과 쿨롱 효율 - 순수한 C60 나노입자의 전자현미경 사진: 표면 형상(내부사진 왼쪽) 및 Li이 삽입된 (0.25 V 인가) 미세구조 형상 (내부사진 오른쪽) ＜사진 및 설명 제공 =조채용 부산대 교수＞

연구팀이 최초로 합성한 면심입방(fcc) 구조의 순수한 풀러렌 나노입자는 이론적으로 예측된 것(12개)보다 훨씬 많은 리튬이온(최대 21개)을 저장할 수 있다. 기존에도 풀러렌에 여러 기능성 그룹을 결합하거나 구조를 변형시켜 용량을 높이려는 시도는 있었으나 이번 연구결과는 순수한 풀러렌을 결정화하여 얻은 것으로 차별화된다.

연구팀은 흑연 대신 풀러렌을 음극으로 적용할 경우 리튬이온 이차전지에서 높은 에너지 밀도와 장기 안정성을 유지할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 충·방전 과정 동안 풀러렌 결정 내 리튬이온의 증감에 따른 구조 변화를 동시 X-선 회절분석기(in-situ XRD)와 비동시 투과전자현미경(ex-situ TEM)을 통해 확인했다. 이 결과 기존 리튬이온 이차전지 음극소재인 흑연과 비교해 비용량이 2배 이상 높았으며 1000회 이상 충·방전 했을 때 탁월한 안정성을 보였다.

연구팀은 리튬이온 증가에 따른 풀러렌 결정구조 변화를 이론적으로 시뮬레이션하는 연구를 지속할 계획이다.

이번 연구 결과는 재료분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)에 지난 28일자로 출판(뒷 표지)됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr