▲ (왼쪽부터 화살표를 따라) 게르마늄 ethoxide (Ge(OC2H5)4)의 가수분해를 거쳐 이산화게르마늄(GeO2) 나노입자 제조 → 이산화게르마늄 (GeO2) 나노입자에 PVP 코팅 → 아르곤 가스 분위기에서 열탄소분해 환원과정을 거치면서 탄소가 코팅된 게르마늄(Ge) 나노입자 제조 및 가스 방출과정에 따른 3차원 다공성 구조 완성.

기존 흑연 전극보다 출력이 높으면서 제작비용도 저렴한 게르마늄(Ge) 전극 소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국연구재단(이사장 정민근)은 전남대 박찬진 교수팀이 저렴하고 간단한 공정을 이용해 기존 흑연 소재보다 출력밀도는 40배 이상, 에너지 저장용량은 4배나 높은 고출력 게르마늄 리튬이온전지(LIB)용 음극 소재를 개발했다고 21일 밝혔다.

게르마늄은 LIB 음극소재로 사용되고 있는 흑연(C)보다 많은 양의 리튬을 저장할 수 있어 차세대 리튬이온전지 전극 소재로 주목받고 있다. 그러나 충방전 시 급격한 부피변화를 일으켜 반복 사용 시 성능이 저하되는 단점이 있었다.

이에 박찬진 교수팀은 졸겔(sol-gel)법을 이용해 제조된 GeO₂ 나노입자와 PVP(폴리비닐피롤리돈)를 혼합하고 열분해 및 환원 과정을 거쳐서, 나노 게르마늄 입자를 탄소가 감싸고 있음과 동시에 현무암과 유사한 3차원 다공성 구조를 갖는 독창적인 구조의 이차전지 음극소재를 제조하는데 성공했다.

개발된 소재는 리튬저장용량이 흑연의 4배 이상인데다 고속으로 1,000회 충방전 시켜도 초기 용량의 89%를 유지했다. 또한 최고 속도로 3초 만에 완전 방전시켜도 흑연의 최고 용량보다 120% 높은 방전 용량을 기록하는 등 슈퍼커패시터에 필적하는 고율방전 특성을 보였다. 제작공정도 저렴한 게르마늄 산화물과 PVP의 혼합물을 아르곤 가스 속에서 열처리하면 되기 때문에 양산시 가격 경쟁력도 가질 수 있을 것으로 기대된다.

박찬진 교수는 “전지 출력 및 사용시간이 관건인 전기차의 고성능화 및 보급화에 기여하는 것은 물론, 향후 모바일기기, 의료기기, 군용기기 및 대용량 에너지 저장 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편 이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 지역대학우수과학자 지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 최상위 학술지인 에너지와 환경과학 (Energy & Environmental Science)에 후면 표지 논문으로 선정돼 8월17일에 온라인 게재됐다.