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포스텍 연구팀, 불규칙 배열 가진 이종금속 개발
포스텍 박수진 교수팀
KAIST 김일두 교수팀
배터리 긴 수명 책임질
새로운 전극 소재 규명
강동진 기자 /  입력 : 2019년 06월 11일(화) 21:26
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 | | | | ↑↑ 포스텍 화학공학과 박수진 교수 | | ⓒ 대구광역일보 |
포스텍은 화학공학과 박수진<사진> 교수팀과 KAIST 신소재공학과 김일두 교수팀이 공동으로 배터리 음극 소재로 활용할 수 있는 일차원 구조의 불규칙 배열을 가진 이종금속을 개발했다고 11일 밝혔다.
학계는 이 연구에 대해 배터리의 긴 수명을 책임질 새로운 전극 소재를 찾은 것으로 평가하고 있다.
스마트폰 뿐만 아니라 하이브리드, 전기차와 같은 친환경 자동차 시장이 점점 확대되면서 리튬이온 전지에 대한 수요도 크게 늘어나고 있다.
현재 상용화된 리튬이온 배터리의 경우 흑연을 음극으로 사용한다. 하지만 흑연은 시간이 지나면 팽창하는 성질을 가지고 있어 이를 고려해 배터리를 설계하면 배터리의 용량이 줄어들 수밖에 없다.
이에 자동차 등에 활용되는 높은 용량의 배터리를 위해서는 차세대 음극 소재에 대한 연구를 진행할 수밖에 없다.
실리콘이나 게르마늄을 활용한 음극 소재가 그 대안으로 개발되기는 했지만 용량은 높일 수 있어도 전기전도도가 낮아 출력을 높일 수가 없어 전기자동차와 같은 큰 전지에는 적용할 수 없다는 문제가 상존해 왔다.
공동연구팀은 ‘원자 단위’로 눈을 돌려 일반적으로 2종류 이상의 금속이 열반응을 거치면 특정 비율의 합금이 생겨나는데 게르마늄과 아연을 열반응하면 특정 비율이 아니라 원자단위로 불규칙적인 배열의 합금으로 바뀌게 된다.
연구팀은 이 합금을 일차원적 구조로 합성한 뒤 리튬이온전지에 적용해 실시간 전자현미경으로 관찰한 결과 이 일차원적 구조가 게르마늄 물질의 문제점으로 부각됐던 부피 팽창을 완화시켰을 뿐 아니라, 아연이 게르마늄 원자 사이사이에 들어가 전자의 이동속도를 높이며 출력을 높이는 역할을 한다는 사실을 밝혀냈다.
이 연구결과는 국제학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)지 지난 5월30일자를 통해 발표됐다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.
포스텍 박수진 교수는 “이번 연구는 단순한 금속간 불규칙적인 배열을 통해 전기화학적 특성을 더욱 높인 새로운 형태의 소재를 제안한 연구로서 다양한 금속 조합을 통해 각 전지의 목적에 맞는 전극 소재 개발 가능성도 개척한 연구라 할 수 있다”고 평가했다.
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강동진 기자 
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