충전시간은 크게 줄이고 사용시간은 높일 수 있는 배터리 상용화 기술이 개발돼 관심을 모으고 있다.

포항공과대학교(총장 김용민)가 최근 화학공학과 이진우(사진) 교수팀이 리튬이온 배터리의 음극에 사용되는 주석(Sn) 기반의 탄소-실리카 복합체를 원-팟 (one-pot) 방법으로 합성하는데 성공했다고 밝혔다.

이번 연구에는 박사과정생 황종국, 울산과학기술대학교 이규태 교수가 참여했다.

이번에 연구된 복합체를 이용하면 3∼4시간 정도 충전해야 하는 리튬이온 배터리가 최대 1시간 이내에 충전이 가능하고, 용량이 그래파이트에 비해 2배로 커져 사용시간도 2배로 길어지게 되는 것으로 나타났다.

현재 사용되고 있는 배터리는 그래파이트(graphite)를 음극으로 사용하고 있지만, 이 물질은 상대적으로 낮은 용량(372mA h g-1)이 단점으로 이를 대체할만한 보다 오래 쓸 수 있는 새로운 음극 소재 개발을 놓고 활발한 연구가 진행돼 왔다.

그 중 대체 물질로 제안된 것이 바로 주석으로 이론적으로는 그래파이트에 비해 훨씬 높은 용량(992 mA h g-1)을 가지고 있어 연구자들의 주목을 받아왔다.

반면에 주석은 충전이나 방전과정에서 심각하게 부피가 팽창되거나 수축돼 전극 구조를 붕괴시키기 때문에 안정성이 낮고 수명이 짧을 뿐 아니라 합성과정이 복잡하고 시간 소요가 많아 상용화가 어려운 것으로 지적돼 왔다.

이에 연구팀은 주석을 나노선, 나노입자의 형태로 탄소-실리카 구조체에 가두는 원-팟 (one-pot) 합성법을 개발해 응용한 결과 전극 특성 저하를 방지하는 것은 물론 성능도 안정적으로 유지되는 것을 확인했다.

또한 복잡한 합성과정 없이 블락 공중 고분자의 자기조립성질을 이용해 2주 가까이 걸리던 합성시간도 3∼4일로 대폭 줄여 상용화를 앞당겼다는 점에서 크게 눈길을 모았다.

이 합성법은 단순히 배터리뿐만 아니라 촉매 등 또 다른 신재생에너지로의 활용도 가능할 것으로 전망되고 있다.

연구팀 관계자는 “앞으로 이 합성법을 이용, 용량을 10배까지 늘릴 것으로 예측되고 있는 실리콘을 배터리에 응용하는 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.

한편 이 연구성과는 미국화학회가 발행하는 나노분야의 세계적 권위지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’지를 통해 발표됐으며 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하고 있는 △글로벌프론티어 사업 △중견연구자지원사업 △한국화학연구원 OASIS사업의 지원을 받았다.