거미줄을 모방한 청색기술이 고용량 전지 소재의 한계로 꼽히는 느린 충·방전 속도 및 기능저하 문제를 해결할 수 있을 전망이다.

한국연구재단은 박호석 성균관대 교수 연구팀이 거미줄의 구조와 기능을 모방해 리튬이온전지의 핵심 소재인 고성능 전극 활물질을 개발했다고 최근 밝혔다.

현재 리튬이차전지의 음극 소재로 쓰이고 있는 흑연의 용량 한계(약 370 mA h/g)를 극복하기 위해 고용량 실리콘, 전이금속 산화물 등 다양한 소재들이 개발되고 있다. 그러나 대부분의 고용량 소재는 낮은 전기 전도도로 인해 충전과 방전 속도가 느려지거나 충·방전 시 발생하는 부피 팽창으로 인해 율속 특성과 장기 안정성이 저하되는 문제점이 있다.

연구팀은 거미줄로 벌레를 포획하는 것과 같이 고용량의 철 산화물 나노입자를 3차원 탄소나노튜브 웹 네트워크에 고정시켰다. 그 결과 820mA h/g 이상 고용량에서 300회 이상 충방전 시에도 88% 이상의 용량을 유지하고, 충전 속도를 20배 빠르게 높여도 70% 이상의 율속 특성을 보이는 전극 활물질을 개발했다.

연구팀은 얼음주형법(ice templating method)을 활용, 거미줄 형태의 3차원 웹 구조로 다중벽 탄소나노튜브를 조립했다. 여기에 오존 처리를 해서 거미줄처럼 끈적이는 기능을 가지도록 표면특성을 제어했다.

박 교수는 “이 연구는 생체모방기술을 통해 고용량 소재의 퇴화와 느린 충방전 속도를 해결할 수 있는 원천기술을 개발한 것”이라며 “리튬이차전지뿐 아니라 다양한 고용량 이차전지소재에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

한편 이 연구 성과는 교육부ㆍ한국연구재단의 글로벌연구네트워크지원사업과 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업의 지원으로 수행됐다.
 

▲ 거미줄 모방 전극 모식도와 탄소나노튜브/금속산화물 복합체 웹 전극 소재의 합성 모식도    © 특허뉴스

 

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