전남대 박찬진 교수 연구팀,고출력 리튬이온전지용 게르마늄 음극소재 개발

"전기차 고성능화 ·모바일 기기 등 다향한 분야 활용 기대 "

[아시아경제 노해섭 기자]전남대학교(총장 지병문) 연구진이 기존 소재보다 저장용량을 4배 늘리고, 출력밀도 를 40배 이상 높일 수 있는 저비용 고출력 이차전지 소재 개발에 성공했다.

전남대학교 공과대학 신소재공학부 박찬진 교수 연구팀은 22일 저가공정을 이용해 독창적 구조의 리튬이온전지용 게르마늄 음극소재를 개발했다고 밝혔다.

이 성과는 높은 출력밀도, 에너지 저장용량과 사용수명 등 리튬이온전지 음극소재의 기존 난제를 동시에 해결함으로써 전기차의 고성능화 및 보급 확산에 크게 기여할 것으로 기대된다. 또 모바일기기, 의료기기, 군용기기의 대용량 에너지 저장 등 다양한 분야에 활용될 전망이다.

전기차 등의 배터리로 쓰이는 리튬이온전지용 음극소재로는 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge)이 주목받고 있다. 기존 흑연(C)에 비해 더 많은 양의 리튬을 저장할 수 있어 한 번 충전 후 더 오랜 시간 사용할 수 있기 때문이다.

하지만 많은 양의 리튬을 저장할 수 있는 만큼 급격한 부피변화 때문에 충방전 반복 시 성능이 저하되는 것이 단점이다. 특히 실리콘은 리튬 저장용량은 높으나, 리튬의 확산속도가 제한적이고 전기전도도가 낮아 고출력 전지 용도로는 한계를 갖는다.

박찬진 교수팀의 이번 연구는 이런 한계를 극복할 수 있는 길을 열었다는 데 의의가 있다.

연구팀은 현무암 구조와 유사하게 표면 및 내부에 나노 사이즈의 공기구멍을 가지면서 게르마늄 입자 표면에 탄소가 화학적으로 결합돼 있는 독창적인 3차원 구조의 음극소재를 개발했다. 게르마늄 산화물과 PVP의 간단한 환원 열처리 반응 중 일어나는 탄소분해 과정 및 이로 인한 자연적인 가스분출 과정을 이용한 것이다.

이렇게 만들어진 게르마늄 음극소재는 용량이 흑연의 4배 이상임에도 불구하고 정상 방전되는 데 26초밖에 걸리지 않으며, 최고 속도로 방전 시에도 불과 3초 만에 흑연보다 높은 방전용량을 기록했다. 또 고속 충방전 조건에서 1,000회의 충방전에도 불구하고 초기 용량의 89%를 유지, 용량감소가 거의 없었으며 실제 리튬이온전지에 적용 시에도 우수한 출력 및 싸이클 수명을 보였다.

박찬진 교수는 “출력이 높고 오래 사용할 수 있는 3차원 나노구조 게르마늄 음극소재는 전지 출력 및 사용시간이 관건인 고성능 전기차를 비롯 모바일기기 및 대용량 에너지 저장 시스템 등에 적합한 이차전지 개발에 중요한 기반이 될 것”이라고 말했다.

전남대 박찬진 교수팀이 주도한 이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 지역대학우수과학자 지원사업 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 영국 왕립화학회에서 발간하는 최상위 학술지인 에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science: IF=20.523)에 후면 표지 논문으로 선정돼 8월 17일자 온라인판에 게재됐다.

◆논문명 : Mass-scalable synthesis of 3D porous germanium-carbon composite particles as an ultra-high rate anode for lithium ion batteries

이번 연구논문의 제1저자인 베트남 출신의 응오 듭 퉁(Ngo Duc Tung) 박사는 지난 2월 전남대학교 대학원 신소재공학과에서 박사학위를 취득한 후 현재 박사후연구원으로 재직중이다.

노해섭 기자 nogary@