▲ 새로운 음전극 재료 ‘유공그래 핀 분자 (CNAP)’의 분자 구조. 원자의 크기를 구형 모델(왼쪽)과 분자의 모양을 막대기 모델(오른쪽)로 표현했다. 회색 탄소 원자 흰색이 수소 원자로 구멍 뚫린 그래핀을 본뜬 분자구조로 설계됐다. 구멍의 직경은 0.9nm (출처 : 토호쿠 대학).

일본이 주변에서 흔하게 찾아볼 수 있는 방향족 탄화수소를 이용해 리튬이온전지의 용량을 두배로 늘릴 음극재료를 발견했다.

토호쿠대학 원자분자재료과학고등연구기구(AIMR)의 이소베 히로유키 주임 연구원등 공동연구그룹이 16일 신 분자재료 ‘유공그래핀분자(CNAP)’가 기존 리튬이온전지의 음극재로 사용되던 흑연보다 2배의 전기용량을 가지며 65회의 반복 충전에도 용량을 완전하게 유지한다고 밝혔다.

충전식 리튬이온전지는 우리생활에 필수적인 에너지저장기술로 지속적인 대용량화를 위해서 다양한 연구개발이 세계에서 진행되고 있다. 그중에서도 가벼우면서 큰 전기용량을 가지는 흑연을 음극재료로 사용하고 있었다.

최근에는 그래핀과 탄소나노튜브등이 음극재로 주목을 받았지만 탄소나노튜브의 경우 대용량화의 원리를 해명할 수가 없어 대용량화의 실현을 위해 걸림돌로 작용하고 있었다.

이에 일본 연구진들은 새로운 분자구조를 가지는 ‘유공그래핀분자(CNAP)’를 사용해 리튬이온전지의 리튬이온 저장원리를 확인하고 이를 이용해 리튬이온전지를 만드는데 성공했다.

‘유공그래핀분자(CNAP)’는 연구진이 지난 2011년에 설계 합성한 것으로 원료는 나프탈렌이다. ‘유공그래핀분자(CNAP)’는 분자 중심부에 나노미터 크기의 구멍을 가지고 있다.

연구진은 기존 음극재료 사용되는 흑연은 탄소필름이 적층된 구조의 ‘틈새’에만 리튬을 축적하지만 천공그래핀분자는 흑연과 유사한 적층구조를 보이면서도 분자 단위에서 정밀하게 설계된 ‘틈’과 ‘기공’의 두 위치에 리튬이 축적되어 대용량화로 이어졌다고 밝혔다.

연구진은 이번 연구 성과는 향후 다양한 기능을 가진 탄소분자재료의 원자분자수준의 설계를 통해서 실생활에서 활약할 수 있는 재료 개발의 성과라고 소감을 더했다.

한편, 연구 성과는 국제학술지 Small의 5월 13일자로 게재되며 재료 과학 관련 뉴스를 다루는 웹 사이트 'MaterialsViews.com'에서 소개 될 예정이다.

▲ ‘유공그래핀분자(CNAP)' 음극재료를 사용한 고체리튬이온전지와 그 단면. 현미경그림의 회백색부분에 CNAP가 있는것을 확인할 수 있다. .