리튬전지 흑연전극 대체할 고용량 게르마늄 소재 개발

(대전=연합뉴스) 이주영 기자 = 국내 연구진이 스마트폰 등 휴대용 기기 전원으로 사용되는 리튬이온전지의 음극소재인 흑연 전극을 대체할 고용량·고효율의 게르마늄계 전극소재를 개발했다.

포항공대 화학공학과 이진우 교수팀은 28일 게르마늄 산화물(GeO₂) 및 금속(Ge), 탄소 복합체를 이용해 2∼50나노미터(㎚=10억분의 1ｍ)의 구멍이 많은 구조인 메조다공성 물질을 제작, 기존 흑연전극보다 용량이 3배 이상 크고 내구성이 기존 게르마늄 계열 전극보다 훨씬 우수한 음극소재를 개발했다고 밝혔다.

이 연구 결과는 미국화학회(ACS)의 나노분야 학술지 'ACS 나노'(ACS NANO 4월 13일자) 온라인판에 게재됐다.

현재 상용화된 리튬이온전지의 음극으로는 흑연 소재가 사용되고 있으나 용량이 작아 충·방전 효율이 떨어지는 문제가 있다.

이를 극복하기 위해 게르마늄 산화물을 이용해 고용량 음극 소재 개발 연구가 널리 진행되고 있으나 게르마늄산화물은 충방전 시 부피가 변하면서 수명이 짧아지고 리튬산화물(Li₂O)이 남아 충전 대비 방전 효율이 떨어지는 문제가 있다.

연구진은 이를 극복하기 위해 2∼50㎚의 많은 구멍이 있는 메조다공성 게르마늄 산화물과 게르마늄 금속, 탄소 복합체(Ge/GeO₂/C)를 합성, 새로운 리튬이온전지 음극재를 만들었다.

이 소재는 많은 미세 구멍이 부피 변화에 의한 충격을 완화해 내구성을 높여주고 넓은 표면적으로 음극과 리튬의 반응이 쉬워 성능과 열 내구성이 우수하다. 연구진은 단위 면적당 용량이 기존에 보고된 게르마늄 계열 음극재 중 최고 수준이라고 밝혔다.

연구진은 또 게르마늄 금속과 탄소는 전극의 전도도를 높이고 전자 전달 통로를 형성, 충·방전 효율을 떨어뜨리는 리튬 산화물의 분해를 촉진해 충전 대비 방전 효율과 용량을 증가시킨다고 덧붙였다.

이진우 교수는 "메조다공성 게르마늄계 음극소재는 최근 개발된 게르마늄 기반 음극재 중에서도 가장 우수한 에너지 밀도를 갖는 사례로 향후 추가 연구를 통해 고용량·장수명 리튬이온전지로 상용될 것으로 기대한다"며 상용화에 5∼10년이 소요될 것으로 전망했다.

scitech@yna.co.kr

제보는 카카오톡 okjebo <저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포, AI 학습 및 활용 금지> 2015/05/28 12:00 송고