▲ 이진우 포항공과대학교 화학공학과 교수 .

국내 연구진이 계층형 다공 구조를 지닌 무기질 산화물 합성 기술을 개발해 리튬이온전지(LIB) 충방전 속도를 기존 대비 7배정도 개선할 것으로 보인다.

미래창조과학부(장관 최양희)는 포항공대 화학공학과 이진우 교수(교신저자), 황종국 박사과정 연구원(제1저자)등 국내 연구진이 간단한 공정을 통해 개발한 서로 다른 크기의 기공을 두 개이상 동시에 포함한 계층형 다공구조를 갖는 무기질 산화물을 합성에 성공해 충방전 속도를 개선한 리튬이온 전지를 구현했다고 18일 밝혔다

서로 다른 크기의 기공을 갖는 소재는 큰 기공을 통해 반응물질의 전달이 원활히 이뤄질 수 있고 작은 크기의 기공을 통해 반응이 일어나는 표면적을 넓힐 수 있는 것이 장점이다.

반면 이 서로 다른 크기의 소재는 제각각 크기의 주형(template)을 혼합해 여러 크기의 기공을 만드는 방식이어서 기공 구조가 불규칙하거나 합성공정이 매우 복잡하다는 것이 단점이었다.

연구팀은 원료물질을 혼합하고 열처리하는 비교적 간단한 공정을 통해 균일한 수십 나노미터 메조기공(2~50 nm) 구조체에 수백 나노미터의 매크로 기공(>50 nm)이 분포하는 무기질(실리카, 티타늄) 산화물을 합성해냈다.

고온에서 블록 공중합체(共重合體)가 열분해 될 때 균일한 메조기공을 형성하지만 서로 유기물이 뭉쳐있던 자리에 3차원 매크로 기공이 형성되는 원리를 이용한 것이다.

이번에 개발된 계층형 다공구조 무기질 산화물은 표면적이 넓고 물질 전달 능력이 뛰어나 향후 촉매, 에너지 저장 및 전환 장치 등에 소재로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

또한, 합성된 다공성 티타늄 산화물을 음극재로 적용한 리튬 이온 전지는 고속 충방전(3분) 조건에서 기존 티타늄 산화물 음극재에 비해 최대 7배 이상 우수한 용량을 나타냈다.

연구팀은 “이 같은 우수한 출력 특성은 마치 개미집처럼 서로 연결된 매크로 기공을 통해 전해질과 이온의 빠른 전달이 가능해졌기 때문”이라고 설명했다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 중견연구자지원사업(핵심) 및 일반연구자지원사업(모험) 등의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 화학분야 국제학술지 저널 오브 디 어메리칸 케미컬 소사이어티지(Journal of the American Chemical Society) 온라인판 10월 22일자에 게재되었다.

▲ 계층형 다공 구조를 가진 실리카의 전자 현미경 사진. .