리튬이온 이차전지 음극재 '풀러렌' 나노입자

조채용 부산대 교수 연구팀은 리튬이온 이차전지 음극재인 흑연을 대체할 풀러렌을 균일한 크기의 순수한 나노입자로 얻는 새로운 열증발-냉각법을 개발했다. <한국연구재단 제공>

리튬이온 이차전지의 음극재로 쓰이는 흑연을 대체할 '풀러렌'이 주목받고 있는 가운데 국내 연구진이 높은 순도와 일정한 크기를 지닌 풀러렌 나노입자를 개발하는 데 성공했다.

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

풀러렌은 탄소 원자 60개가 축구공 모양으로 구성된 매우 안정된 탄소 동소체(탄소로 이뤄졌으나 결합 구조가 달라 형태, 구조, 물성이 다른 분자) 중 하나로, 1996년 노벨화학상을 받은 해럴드 크로토 박사가 처음 발견했다.

현재 리튬이온 이차전지의 음극재로 쓰이는 흑연은 단위부피당 전하의 양(이론 비용량)이 적어 이를 풀러렌으로 대체하기 위한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다.

하지만, 기존 합성법으로 균일한 크기의 순수한 풀러렌을 얻을 수 없는 한계가 있었다. 연구팀은 열증발-냉각법을 통해 이론적으로 예측한 12개보다 더 많은 최대 21개의 리튬이온을 저장할 수 있는 결정 구조 형태의 순수한 풀러렌 나노입자를 얻는 데 성공했다.

충방전 과정 동안 풀러렌 결정 내 리튬이온의 증감에 따른 구조 변화를 X선 회절분석기와 비동시 투과전자현미경으로 측정했다. 그 결과, 풀러렌 나노입자는 기존 리튬이온 이차전지 음극소재인 흑연에 비해 전하 양이 2배 이상 높았고, 1000회 이상 충방전 시 80% 이상의 안정성을 유지하는 등 성능이 탁월한 것을 확인했다.

조채용 부산대 교수는 "기존에 풀러렌에 다른 기능성 물질을 결합하거나, 구조를 변형시켜 용량을 높이려는 시도가 있었으나, 이번 연구를 통해 순수한 풀러렌을 결정화해 얻을 수 있었다"며 "흑연을 대체하는 고용량, 고안정성 신소재로 풀러렌을 활용할 수 있는 토대를 마련하게 됐다"고 말했다.이 연구결과는 재료분야 국제 학술지 '어드밴스드 머터리얼즈(지난 28일자)'에 뒷면 표지로 실렸다.이준기기자 bongchu@dt.co.kr