스마트폰·노트북…배터리 걱정 없앤다

국내 연구팀, 용량과 효율 높인 리튬이온전지 음극 소재 개발

▲메조다공성 Ge/GeO2/C 복합체의 전자 주사 현미경 이미지(a), 그림으로 도식화한 Ge/GeO2/C의 구조(b), 메조다공성 구조와 각 물질의 역할(c).[사진제공=한국연구재단]

[아시아경제 정종오 기자] 용량과 효율을 높여 오래 쓰는 리튬이온전지 음극 소재가 나왔다. 스마트폰, 테블릿 PC, 노트북 등 휴대용 기기의 사용이 증가하고 있는 상황에서 이번 소재가 충분한 전력을 공급할 수 있는 역할을 할 것으로 기대된다.

국내 연구팀이 2~50 나노미터(nm)의 많은 구멍을 갖고 있는 게르마늄 산화물과 금속, 탄소의 복합체로 기존 흑연 전극과 비교해 3배 이상 용량이 크고 오래 가는 리튬이온전지용 음극 소재를 개발했다.

게르마늄 산화물(GeO2)은 현재 상용되는 낮은 용량의 흑연 음극을 대체할 수 있는 고용량 음극 소재로서 최근 많은 주목을 받고 있다. 이 산화물은 충·방전 과정에서 부피가 계속 변하면서 전극이 손상되기 때문에 수명이 짧고, 전기 전도도가 낮다. 또 리튬 이온이 산화물(Li2O)의 형태로 남아 있어 충전 대비 방전 효율이 낮아지는 문제가 있었다.

연구팀은 2~50 나노미터(nm)의 많은 구멍을 갖고 있는 메조다공성 게르마늄 산화물과 게르마늄 금속, 탄소 복합체(Ge/GeO2/C)를 합성했다. 신개념 리튬이온전지 음극재를 제작했다. 이 소재는 높은 성능과 열 내구성을 가진다. 기존에 보고된 게르마늄 계열 음극재 중 최고 수준의 면적당 용량(areal capacity)을 갖는 것을 입증했다.

구멍이 많이 뚫린 게르마늄 구조는 부피 변화에 의한 충격을 완화시켜 전극의 수명을 늘린다. 표면적이 상대적으로 높아 음극과 리튬의 반응을 쉽게 이끈다.

게르마늄 금속과 탄소는 전극의 전도도를 향상시키고 전자 전달 통로를 형성해 리튬 산화물(Li2O)의 분해를 촉진함으로써 충전 대비 방전 효율을 높이고 용량을 증가시켰다.

포항공대 이진우 교수(교신저자)가 주도하고 황종국, 조창신 박사과정(공동 제1저자), 울산과학기술대학교 김영식 교수가 공동으로 수행했다. 나노 분야의 에이씨에스 나노지(ACS Nano) 4월 13일자 온라인판(논문명 : Mesoporous Ge/GeO2/Carbon Lithium-Ion Battery Anodes with High Capacity and High Reversibil)에 실렸다.

이진우 교수는 "최근 개발된 게르마늄 기반 음극재 중에서도 우수한 에너지 밀도를 갖는 사례로 앞으로 추가 연구를 통해 용량이 높고 오래가는 리튬이온전지로 상용화되기를 기대한다"고 말했다.