거미줄 구조·기능 모방한… 리튬이온전지 고성능 전극

국내 연구진이 리튬이온전지의 충전 속도와 용량을 높일 수 있는 기술을 개발했다.

한국연구재단은 박호석 성균관대 교수(사진)팀이 거미줄의 구조와 기능을 모방해 리튬이온전지의 핵심 소재인 고성능 전극을 개발했다고 7일 밝혔다.

리튬이온전지는 충·방전 반복이 가능한 2차 전지로 스마트폰이나 노트북 등에 사용되고 있다. 현재 이 전지의 음극 소재로 쓰이는 흑연의 용량 한계(약 370㎃ h/g)를 극복하기 위해 고용량 실리콘이나 전이금속 산화물 등 다양한 소재들이 개발되고 있다. 하지만 대부분 낮은 전기 전도도로 인해 충전과 방전 속도가 느려지거나 부피 팽창으로 용량이 낮아지는 한계가 있다.

연구팀은 거미줄로 벌레를 잡는 것과 같이 고용량의 철 산화물 나노입자를 '3차원 탄소나노튜브 웹 네트워크'에 고정해 빠른 전하 이동과 구조적 안정성을 확보했다. 그 결과 820㎃ h/g 이상 고용량에서 300회 이상 충·방전 시에도 88% 이상의 용량을 유지했고, 충전 속도를 20배 빠르게 높여도 70% 이상의 율속 특성을 보이는 전극 활물질을 개발했다.

박호석 교수는 "이 연구는 생체모방기술을 통해 고용량 소재의 퇴화와 느린 충방전 속도를 해결할 수 있는 원천기술을 개발한 것"이라며 "리튬이차전지뿐 아니라 다양한 고용량 이차전지 소재에 적용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구성과는 교육부·한국연구재단의 글로벌연구네트워크지원사업과 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업의 지원을 받아 수행됐으며, 결과는 에너지 분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈'에 게재됐다.

남도영기자 namdo0@