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거미줄 모방 LIB 전극소재 개발
상용흑연比 3배 고용량, MWCNT소재 활용
거미줄 모방 전극 모식도와 탄소나노튜브/금속산화물 복합체 웹 전극 소재의 합성 모식도
국내 연구진이 거미줄의 먹이 잡는 구조를 모방해 고용량 전지 소재의 한계로 꼽힌 충·방전 속도와 기능저하 문제를 해결했다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 박호석 성균관대 교수 연구팀이 다중벽 탄소나노튜브로 만든 거미줄 구조의 기능을 모방해 리튬이온전지의 핵심 소재인 고성능 전극 활물질을 개발했다고 지난7일 밝혔다.

현재 리튬이차전지의 음극 소재로 쓰이고 있는 흑연의 용량 한계(약 370 mA h/g)를 극복하기 위해 고용량 실리콘, 전이금속 산화물 등 다양한 소재들이 개발되고 있다.

그러나 고용량실리콘은 흑연대비 10배 이상의 고용량을 가지지만 3배이상의 부피팽창이 있고 전이금속 역시 고용량 발현이 가능하나 낮은 전기전도도와 부피팽창으로 용량유지율이 나빠지거나 장기 안정성이 저하되는 문제점이 있었다.

이에 연구팀은 거미줄로 벌레를 포획하는 것과 같이 고용량의 철 산화물 나노입자를 3차원 탄소나노튜브 웹 네트워크에 고정시켰다. 그 결과 820mA h/g 이상 고용량에서 300회 이상 충방전 시에도 88% 이상의 용량을 유지하고, 충전 속도를 20배 빠르게 높여도 70% 이상의 율속 특성을 보이는 전극 활물질을 개발했다.

연구팀은 거미줄 형태의 3차원 웹 구조로 다중벽 탄소나노튜브를 조립하고 여기에 오존 처리를 해서 거미줄처럼 끈적이는 기능을 가지도록 표면특성을 제어하였다.

거미줄로 벌레를 포획하듯이 고용량의 철 산화물 나노입자를 3차원 탄소나노튜브 웹 네트워크에 고정화해서, 빠른 전하 이동을 통해서 전자와 리튬 이온의 느린 확산 속도를 극복했고 구조적 안정성에 의해서 부피 팽창 시 발생하는 응력을 완화시키는데 성공하였다.

박호석 교수는 “이 연구는 생체모방기술을 통해 고용량 소재의 퇴화와 느린 충방전 속도를 해결할 수 있는 원천기술을 개발한 것”이라며 “리튬이차전지뿐 아니라 다양한 고용량 이차전지소재에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 연구의 의의를 설명했다.

한편, 이 연구 성과는 교육부, 한국연구재단의 글로벌연구네트워크지원사업과 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업의 지원으로 수행됐다. 에너지 분야 국제학술지인 어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials) 9월 6일자에 속표지 논문으로 게재됐다.

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