이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 일반연구자지원사업 등의 지원으로 수행됐으며, 연구결과는 첨단재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’지 6월24일자 온라인판에 게재됐다.
최근 전기차 등의 배터리로 쓰이는 리튬이온전지용 음극소재로 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge)이 주목받고 있다.
기존 흑연(C)에 비해 더 많은 양의 리튬을 저장할 수 있어 고속 충·방전에 유리하기 때문이다.
하지만 많은 양의 리튬을 저장할 수 있는 만큼 급격한 부피변화 때문에 충·방전 반복시 성능이 저하되는 것이 단점이다.
특히 게르마늄은 실리콘에 비해 재료 내 리튬 확산속도가 100배 크지만 제조비용이 높다는 것이 단점이다.
연구팀은 게르마늄 입자 표면에 탄소가 결합된 독창적 구조의 안정적인 리튬이온전지용 음극소재를 개발, 이같은 단점을 개선했다.
저가의 상용 이산화게르마늄(GeO2) 용액과 산(acid)의 혼합·열처리라는 비교적 간단한 공정을 이용한 것이다.
이렇게 만들어진 게르마늄/탄소 음극소재는 1000회의 충·방전에도 불구하고 초기 에너지 저장용량의 99%를 유지, 용량감소가 거의 없는 것으로 나타났다.
또한 충·방전 속도가 100배 빠른 고속 충·방전에도 초기 용량의 70% 이상이 유지됐다.
용량개선 효과의 핵심은 음극소재가 리튬을 저장하고 방출하는 과정에서 나타나는 부피변화에 저항하려는 힘을 최소화한 것이다.
우선 게르마늄 입자를 작게 만들어 전체 부피 변화를 줄였다.
또 탄소층 및 게르마늄-탄소간의 탄성계면층이 게르마늄 입자 사이에 자리 잡아 부피변화에 따른 저항을 완화하는 완충작용을 할 수 있도록 했다.
이 연구결과는 높은 에너지 저장용량에도 불구하고 짧은 수명 때문에 상용화되지 못했던 게르마늄 음극소재의 단점을 극복할 수 있는 실마리를 제시함으로써 향후 게르마늄 기반의 ‘고용량·장수명’ 차세대 전지개발에 기여할 것으로 기대된다.
박 교수는“용량이 크고 오래 사용할 수 있는 나노구조 게르마늄 음극소재는 전지 사용시간이 관건인 전기차, 모바일 기기 및 대용량 에너지 저장 시스템 등에 최적화된 이차전지 개발에 중요한 기반이 될 것”이라고 말했다.
