화학과 박귀옥 연구원 ,
리튬이온전지 수명 저하 현상 해결 기반 마련
전기차, 휴대용 전자기기 배터리 수명 연장을 통해 차세대 산업 선도 가능성 열어

규칙적으로 배열된 리튬이차전지용 주석계 합금 나노전극소재 개발
차세대 전극 소재의 충·방전 과정 부피팽창으로 인한 전지 수명 저하 현상 해결
5월 3일(화) 'Advanced Functional Materials'지 표지 논문 게재

화학과 박귀옥 연구원[사진왼쪽](제1저자, 지도교수 김지만), 에너지과학과 윤정배 박사과정(공동 제1저자, 지도교수 윤원섭)의 논문이 소재과학(material sciences)분야의 권위 있는 국제학술지'Advanced Functional Materials(어드밴스드 펑셔널 머터리얼스)'에 5월 3일자(화) 표지 논문(front cover)으로 선정되어 우수성을 인정받았다.

이 연구는 삼성미래기술육성사업(김지만 교수·윤원섭 교수(성균관대학교)·김한수 교수(한양대학교) 공동연구팀)의 지원을 받아 수행되었으며, 리튬이온전지의 충·방전과정 중 발생하는 음극소재의 부피 변화를 제어할 수 있는 주석(Sn)계 합금 나노소재 설계기술을 개발했다.

모바일 기기와 전기자동차 시장이 성장함에 따라 고용량·고수명 리튬이차전지용 전극소재 개발이 필수적이다. 기존 음극소재인 흑연 전극을 대체할 고용량 소재의 후보로서 금속계 소재(실리콘, 게르마늄, 주석 등)에 대한 연구가 활발히 진행 중이지만, 충·방전시 전극소재의 큰 수축과 팽창에 의해 수명이 급격히 저하되는 기술적 난제가 있었다. 이번 연구를 통해 공동연구팀은 나노소재 합성기술을 이용하여 이러한 문제를 해결할 수 있는 기반을 마련했다.

연구진은 두께가 5 나노미터(머리카락의 1만분의 1)에 불과한 주석과 코발트의 합금을 규칙적인 벌집 형태로 배열하여 리튬이차전지의 성능을 크게 향상시켰다. 합성된 주석·코발트 합금 음극소재는 흑연소재 대비 2배 이상의 리튬 저장 용량을 발현할 뿐만 아니라, 코발트가 주석 입자주위에 분포되어 있고 동시에 3차원 다공 구조로 이루어져 있어 반복적으로 충·방전을 할 때 부피팽창을 완화하는 역할을 하게 된다.

특히, 방사광가속기를 이용해 충·방전 과정 중 리튬이온전지 내부에서 발생하는 전극 소재의 부피 변화를 실시간으로 관측하는데 성공했다. 이번 연구 결과는 전지의 부피 변화를 완벽하게 제어하여 전지의 수명저하 문제를 해결할 수 있는 기반을 마련했다는 평가를 받고 있다.

에너지과학과에서 박사학위를 수여받고 화학과에서 박사후연구원으로 재직 중인 박귀옥 연구원은 "규칙적인 나노 기공과 비활성 원소의 도입을 통하여 전극 소재의 부피팽창 제어가 가능할 수 있다는 것을 실질적으로 보여준 첫 사례이었기에 차세대 리튬이온전지를 설계함에 있어 새로운 계기가 될 수 있을 것"이라 전했다.

[논문이 실린 Advance Functional Materials 표지 및 전극 소재 설계 개념]