기자명 조영창 기자 (whdudckd1004@skkuw.com)

지난 3일 우리 학교 화학과 박귀옥 연구원과 에너지과학과 윤정배 박사과정의 논문이 소재과학분야의 권위 있는 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’에 표지 논문으로 선정돼 그 우수성을 인정받았다.

이 연구는 ‘삼성미래기술육성사업’의 지원을 받아 수행됐으며, 리튬이온전지의 충·방전과정 중 발생하는 음극소재의 부피 변화를 제어할 수 있는 주석계 합금 나노소재 설계기술을 개발하는 성과를 거뒀다. 현대 사회는 모바일 기기와 전기자동차 시장이 성장함에 따라 고용량·고수명 리튬이차전지용 전극소재 개발이 필수적이다. 이에 따라 기존 음극소재인 흑연 전극을 대체할 고용량 소재의 후보로서 금속계 소재(△게르마늄 △실리콘 △주석 등)에 대한 연구가 활발히 진행 중이었으나 충·방전시 전극소재의 큰 수축과 팽창에 의해 수명이 급격히 저하되는 기술적 난제가 있었다.

그러나 이번 연구를 통해 나노소재 합성기술을 이용하여 이러한 문제를 해결할 수 있는 기반을 마련했다. 연구진은 두께가 5 나노미터에 불과한 주석과 코발트의 합금을 규칙적인 벌집 형태로 배열하여 리튬이차전지의 성능을 크게 향상시켰다. 합성된 주석·코발트 합금 음극소재는 흑연소재 대비 2배 이상의 리튬 저장 용량을 발현할 수 있다. 또한 코발트가 주석 입자주위에 분포돼 있고 동시에 3차원 다공 구조로 이뤄져 있어 반복적으로 충·방전을 할 때 부피 팽창을 완화하는 역할을 하게 된다. 특히 방사광가속기를 이용해 충·방전 과정 중 리튬이온전지 내부에서 발생하는 전극 소재의 부피 변화를 실시간으로 관측하는데 성공했다.

이번 연구 결과는 ‘전지의 부피 변화를 완벽하게 제어하여 전지의 수명저하 문제를 해결할 수 있는 기반을 마련했다’는 평가를 받고 있다. 박 연구원은 “규칙적인 나노 기공과 비활성 원소의 도입을 통하여 전극 소재의 부피팽창 제어가 가능할 수 있다는 것을 실질적으로 보여준 첫 사례”라며 “차세대 리튬이온전지를 설계함에 있어 새로운 계기가 될 수 있을 것”이라 전했다.