개미집처럼 연결된 리튬 이온전지용 소재 개발

국내 연구진이 간단한 공정을 통해 계층형 다공구조를 갖는 무기질 산화물을 합성할 수 있는 기술을 개발하고 나아가 합성한 산화물을 사용해 충방전 속도를 개선한 리튬이온 전지를 구현했다.

계층형 다공 구조(hierarchically porous structures)란 마이크로 기공 (<2nm), 메조 기공 (2~50 nm), 매크로 기공 (>50 nm) 중에서 서로 다른 크기의 기공을 두 개 이상 동시에 포함하는 다공구조. 표면적이 넓고 물질전달 성능이 뛰어나 촉매의 담체, 분리 적정 기술, 에너지 저장 및 전환 장치 등에 활용하기 위한 연구가 활발하다.

리튬이온전지는 반복해서 충/방전을 할 수 있는 이차전지의 일종으로, 리튬 이온의 삽입/탈리에 의한 산화/환원 반응을 통해 구동되는 이차전지를 말한다.

포항공대 화학공학과 이진우 교수(교신저자), 황종국 박사과정 연구원(제1저자)이 수행한 이번 연구결과는 화학분야 국제학술지 저널 오브 디 어메리칸 케미컬 소사이어티지(Journal of the American Chemical Society) 온라인판 10월 22일자에 게재되었다.(논문제목 : Direct Access to Hierarchically Porous Inorganic Oxide Materials with Three-Dimensionally Interconnected Networks)

 

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계층형 다공성 실리카의 매크로 구조에 대해 나노 CT(nanoscale X-ray computed tomography)를 사용하여 시각화한 이미지

 

서로 다른 크기의 기공을 갖는 소재는 큰 기공을 통해 반응물질의 전달이 원활히 이뤄질 수 있고 작은 크기의 기공을 통해 반응이 일어나는 표면적을 넓힐 수 있는 것이 장점이다.

반면 제각각 크기의 주형(template)을 혼합하여 여러 크기의 기공을 만드는 방식이어서 기공 구조가 불규칙하거나 합성공정이 매우 복잡하다는 것이 단점이었다.

연구팀은 원료물질을 혼합하고 열처리하는 비교적 간단한 공정을 통해 균일한 수십 나노미터 메조기공 구조체에 수백 나노미터의 매크로 기공이 분포하는 무기질(실리카, 티타늄) 산화물을 합성해냈다.

고온에서 블록 공중합체가 열분해되면서 균일한 메조기공을 형성하는 한편 서로 뭉쳐있던 유기물이 분해된 자리에는 3차원 매크로 기공이 형성되는 원리를 이용한 것이다.

향후 촉매, 에너지 저장 및 전환 장치 등에 소재로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

나아가 합성된 다공성 티타늄 산화물을 음극재로 적용한 리튬 이온 전지는 고속 충방전(3분) 조건에서 기존 티타늄 산화물 음극재에 비해 최대 7배 이상 우수한 용량을 나타냈다.

연구팀은 “이 같은 우수한 출력 특성은 마치 개미집처럼 서로 연결된 매크로 기공을 통해 전해질과 이온의 빠른 전달이 가능해졌기 때문”이라고 설명했다.

[민두기 기자 ebiz@itnews.or.kr]