삼성-성균관대-한양대, 산학연구 결실
기존 배터리 용량 대비 최대 5배인 차세대 이차전지 개발 이끌 새로운 리튬 저장 반응기구 발견

성균관대 김지만, 윤원섭 교수, 한양대 김한수 교수, 삼성전자 종합기술원 공동 연구팀

나노 구조화된 금속 산화물의 리튬 저장 거동 관찰을 통해 신규 리튬 반응 기구 규명

고용량화가 시급한 에너지 저장소재에 대한 새로운 접근 방법을 제시할 수 있을 것

3월 22일 세계적 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'지 논문 게재
우리 학교 화학과 김지만 교수, 에너지과학과 윤원섭 교수, 한양대학교 에너지공학과 김한수 교수, 삼성전자종합기술원 소재연구센터 손정국 박사 공동연구팀이 나노 구조화된 금속 산화물의 비이상적 리튬 저장거동을 관찰하여 리튬이차전지 음극활물질의 새로운 리튬 저장 반응 기구에 대해 발표했다. 규칙적인 나노 구조를 갖는 몰리브데늄 산화물은 이론적인 리튬 저장양의 2배 이상을 가역적으로 저장할 수 있고, 나노 물질이 가지는 새로운 리튬 저장 공간이 존재할 수 있음을 세계 최초로 보고했다.

각종 모바일 기기 및 전기 자동차 등에 사용되는 이차전지는 높은 에너지밀도를 구현하기 위해 나노 물질을 전극으로 활용하는 연구가 활발하게 진행됐지만, 그 전기화학적 고성능에 관한 반응기구의 규명이 명확하게 이루어지지 않아 학문적인 가능성을 제시하는데 그치고 있었다. 이러한 가운데 공동연구팀은 나노 구조화된 몰리브데늄 산화물에 관한 체계적인 연구를 통하여, 고효율 및 고용량 전극 소재 개발 가능성을 제시함과 동시에 나노 구조화된 전극 활물질은 리튬을 금속성 클러스터(cluster) 형태로 저장 할 수 있다는 새로운 리튬 저장 반응 기구를 명확히 규명했다. 이러한 신규 에너지 저장 거동을 이용하면 기존 음극 용량 대비 5배 이상을 상회할 수 있는 혁신적인 배터리 디자인이 가능할 것으로 예측된다.

나노 전극 소재가 보여주는 비이상적 리튬 저장 거동에 대한 새로운 해석은 학계에서 정설로 받아들여지고 있던 금속산화물 전극의 리튬 저장거동에 반하는 새로운 이론이기 때문에 수년에 걸친 재현 실험과 수정을 거쳐 이뤄낸 결과이다. 신개념 복합 에너지 저장 기구를 이용하여 고에너지 밀도의 에너지 저장 소재 분야 및 관련 연구 분야에 획기적인 솔루션을 제공할 것으로 기대된다.

본 논문의 제 1저자인 삼성전자종합기술원 손정국 박사는 "나노 사이언스에 기반한 새로운 리튬 이온 저장 모델을 세계 최초로 제시함으로써, 이론 용량 이상의 고용량 에너지 저장 구현이 가능한 신규 전극 소재 개발 가능성을 열었다는데 그 의미가 있다"라고 전했다.
본 연구는 융합과학(multidisciplinary sciences) 분야의 권위 있는 학술지인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 3월 22일자에 게재되었다.