▲ 풀러렌(C60) 나노입자의 전기화학적 성능 및 형상 및 미세구조

국내 연구진이 순수한 결정질의 풀러렌 나노입자를 개발, 이를 핵심 소재인 리튬이온배터리의 음극재로 적용한 이차전지를 선보여 고용량, 장수명 성능의 새로운 소재 활용 가능성이 예상된다.

한국연구재단(이사장 이광복)은 부산대학교 조채용 교수 연구팀이 새로운 열증발-냉각법을 개발해 수백 나노미터 크기의 균일하고 순수한 풀러렌 결정질 나노입자를 얻는데 성공했다고 1일 밝혔다.

이렇게 얻어진 결정질 나노입자를 기존 리튬이온배터리의 음극소재인 흑연대신 적용한 결과, 비용량(전지의 전극소재가 이론적으로 가질 수 있는 전자 수, 단위질량당 또는 단위부피당 전하의 양)이 2배이상 높았으며, 1000회 이상 충방전 시에도 탁월한 안전성을 보였다.

연구팀은 최초로 합성한 면심입방(face-centered cubic, fcc)구조의 순수한 풀러렌 나노입자는 이론적으로 예측된 것(12개)보다 훨씬 많은 리튬이온(최대 21개)을 저장할 수 있음을 실험적으로 확인했다.

실험 결과를 바탕으로, 풀러렌 분자로 구성된 면심입방구조(정육면체 각 모서리에 8개와 각 면의 중심에 6개의 원자 또는 분자로 구성된 결정구조의 형태)에서 추가로 리튬이 들어갈 가능한 공간을 계산했다.

기존에도 풀러렌에 여러 기능성 그룹을 결합하거나 구조를 변형시켜 용량을 높이려는 시도는 있었다. 하지만 이번 연구결과는 순수한 풀러렌을 결정화해 얻은 것으로 이전과는 차별화된다.

연구팀은 흑연 대신 풀러렌을 음극 소재로 적용 시, 리튬이온배터리에서 높은 에너지 밀도와 장기 안정성을 유지할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

부산대 조채용 교수는 “실용화를 위해서는 대량생산과 단가가 문제인데 이것은 저렴한 풀러렌 분말 소재를 확보하고 이에 알맞는 열처리로를 수정하면 해결될 것”이라며 “그래핀과 풀러렌을 텐덤으로 높은 에너지밀도의 음극, 난연성 전해질과 NCM811 양극으로 Full cell을 구성하면 안전성을 가진 새로운 배터리 형태로 활용될 것”이라고 밝혔다.

또 “더불어 소재가격이 낮은 Na 기반 배터리가 성공적으로 수행되면 훨씬 더 높은 경쟁력을 가질 것으로 예상된다”고 전했다.

한편, 연구진은 충·방전 과정동안 풀러렌 결정 내 리튬이온의 증감에 따른 구조 변화를 동시 X-선 회절분석기(in-situ XRD)와 비동시 투과전자현미경(ex-situ TEM)을 통해 확인한 바 있으며 리튬이온 증가에 따른 풀러렌 결정구조 변화를 이론적으로 시뮬레이션하는 연구를 지속할 계획이다.

이번 연구성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구과제 및 기초연구실사업의 지원으로 수행됐으며, 재료분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 10월 28일자로 출판 (Back Cover 선정) 됐다.

▲ 풀러렌(C60) 나노입자의 Li 충방전 동안의 구조변화와 계산에 의한 예상 구조