국내 연구진이 스마트폰 등 휴대용기기 전원에 사용되는 LiB(Lithium-ion Battery)의 음극재인 흑연전극을 대체할 고용량·고효율의 게르마늄계 전극소재를 개발했다.
포항공대 화학공학과 이진우 교수팀은 게르마늄 산화물, 금속, 탄소 복합체 등을 이용해 2-50나노미터의 구멍이 많은 메조다공성 물질을 제작해 기존 흑연전극보다 용량이 3배 이상 크고 내구성이 기존 게르마늄 계열 전극보다 훨씬 우수한 음극재를 개발했다고 5월28일 발표했다.
연구결과는 미국화학회(ACS)의 나노분야 학술지 4월13일자 온라인판에 게재됐다.
현재 상용화된 LiB 음극에는 흑연이 사용되고 있으나 용량이 작아 충전·방전 효율이 떨어지는 문제가 있는 것으로 알려졌다.
이에 따라 게르마늄 산화물을 이용한 고용량 음극재 개발이 진행되고 있으나 게르마늄산화물은 충전·방전 할 때 부피가 변하면서 수명이 짧아지고 리튬산화물이 남아 방전 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
연구진은 문제해결을 위해 2-50㎚ 크기의 구멍이 많은 메조다공성 게르마늄 산화물과 게르마늄 금속, 탄소 복합체를 합성해 새로운 LiB 음극재를 개발했다.
신규 개발된 음극재는 다량의 미세구멍이 부피 변화에 따른 충격을 완화시킴으로써 내구성을 높여주고 넓은 표면적에 따른 음극-리튬 반응이 용이해 성능 및 열 내구성이 우수한 것으로 알려졌다.
연구진은 단위 면적당 용량이 기존에 보고된 게르마늄 계열 음극재 가운데 최고 수준이며 게르마늄 금속과 탄소는 전극의 전도도를 높이고 전자 전달 통로를 형성함으로써 충전·방전 효율을 떨어뜨리는 리튬 산화물의 분해를 촉진해 충전 대비 방전 효율과 용량을 증가시켰다고 밝혔다.
이진우 교수는 “메조다공성 게르마늄계 음극소재는 최근 개발된 게르마늄 기반 음극재 중에서도 가장 우수한 에너지 밀도를 갖는 사례로 추가 연구를 통해 고용량·장수명 LiB로 상용할 것”이라고 강조했다.