▲ 현택환 IBS 나노입자연구단 단장.

역발상을 통해 리튬이온전지 용량을 최대 3배까지 향상시킬 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

미래창조과학부(장관 최문기)는 국제과학비즈니스벨트 핵심 연구기관인 기초과학연구원(IBS, 원장 오세정)‘나노입자연구단의 현택환 단장이 리튬이온배터리, 태양전지와 같은 에너지 소자의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 ‘산화물 나노입자의 갈바닉 부식 작용기전’을 규명했다고 24일 밝혔다. 이 연구결과는 세계 최고 권위 학술지인 ‘사이언스 (Science)’ 5월 24일자 판에 게재됐다.

연구단은 금속에만 적용되던 갈바닉(Galvanic) 부식원리를 금속산화물 나노입자에 역으로 적용해 리튬이온전지 음극의 용량을 최대 3배까지 향상시켰다고 밝혔다. 즉 연구단은 금속의 갈바닉 부식원리를 반대로 적용해 산화망간 나노입자와 철 과염소산염 수용액과의 반응으로 산화철·산화망간 이종접합구조인 나노박스(nanobox)가 생성됨을 확인했으며, 철 과염소산염의 농도를 증가시킴에 따라 속이 텅 빈 산화철 나노새장(nanocage)으로 변환됨을 확인했다.

이에 따라 갈바닉 부식공정을 이용한 속이 빈 산화물 나노입자의 합성을 통해 고성능 배터리를 개발할 수 있는 길이 열릴 것으로 전망된다.

특히 이 과정은 망간과 철 산화물 나노입자뿐 아니라, 코발트와 주석 산화물, 망간과 주석 산화물 등 다금속 및 다공성 금속산화물 나노입자의 제조에 광범위하게 적용되며, 대량생산이 가능함에 따라 의약품과 MRI 조영제 등 생의학 분야 발전에도 기여할 것으로 예상된다.

갈바닉 교환 반응은 금속이 부식되는 작용기전 중 하나로, 금속 나노재료의 성능을 획기적으로 개선하는 쉽고 간단한 방법이다. 갈바닉 교환반응을 이용하면 여러 가지 금속이 섞여있으면서도 다공질인 독특한 구조를 만들 수 있다. 이러한 구조는 촉매활성이 뛰어나고 약물전달체로서 유리하다.

현택환 단장은 “전위 금속 산화물은 상용화된 흑연보다 이론적으로 큰 용량을 발현할 수 있어 차세대 음극 재료로 주목 받아왔지만 배터리 충·방전 시 물질의 부피 변화가 커 장기적 성능 저하가 큰 문제였다”며, “이번에 규명된 금속 산화물에서의 갈바닉 반응을 리튬이온전지의 음극 물질에 적용해 작동전압을 쉽게 조절하며 용량 및 안정성을 증가시켰다”고 밝혔다.