POSTECH-UNIST 연구팀, 주석전극 상용화 앞당길 ‘합성법’ 개발

스마트폰, 태블릿PC, 노트북 컴퓨터 등 모바일 기기 보급이 확대되면서 가장 큰 문제로 떠오른 ‘배터리’. 충전시간은 줄이고 사용시간을 높인 배터리 개발을 놓고 기업과 많은 연구자들이 경쟁을 펼치고 있는 가운데, 국내 연구진을 통해 충전시간은 크게 줄이고 사용시간은 높일 수 있는 배터리 상용화를 앞당길 기술이 개발됐다.

POSTECH(포항공과대학교) 화학공학과 이진우 교수(38), 박사과정 황종국(25)․UNIST(울산과학기술대학교) 친환경에너지공학부 이규태 교수팀은 독창적인 합성방법을 개발, 리튬이온 배터리의 음극에 사용되는 주석(Sn) 기반의 탄소-실리카 복합체를 '원-팟 (one-pot)' 방법으로 합성하는데 성공했다.

이 복합체를 이용하면 3~4시간 정도 충전해야 하는 리튬이온 배터리가 최대 1시간 이내에 충전이 가능하고, 용량이 그래파이트에 비해 2배로 커져 사용시간도 2배로 길어지게 된다.

우리가 사용하고 있는 배터리는 그래파이트(graphite)라는 물질을 음극으로 사용하고 있지만, 이 물질은 상대적으로 낮은 용량(372 mA h g-1)이 단점으로, 이를 대체할만한 보다 오래 쓸 수 있는 새로운 음극 소재 개발을 놓고 활발한 연구가 진행되어 왔다.

그 중 대체 물질로 제안된 것이 바로 주석. 이론적으로는 그래파이트에 비해 훨씬 높은 용량(992 mA h g-1)을 가지고 있어 연구자들의 주목을 받아왔다.

하지만 주석은 충전이나 방전과정에서 심각하게 부피가 팽창되거나 수축되어 전극 구조를 붕괴시키기 때문에 안정성이 낮고 수명이 짧을 뿐 아니라 합성과정이 복잡하고 시간 소요가 많아 상용화가 어려운 것으로 지적되어 왔다. 

연구팀은 주석을 나노선, 나노입자의 형태로 탄소-실리카 구조체에 가두는 '원-팟 (one-pot)' 합성법을 개발, 응용한 결과 전극 특성 저하를 방지하는 것은 물론 성능도 안정적으로 유지되는 것을 확인했다.

무엇보다 연구팀이 개발한 합성법은 복잡한 합성과정 없이 블락 공중 고분자의 자기조립성질을 이용해 2주 가까이 걸리던 합성시간도 3~4일로 대폭 줄여 상용화를 앞당겼다는 점에서 크게 눈길을 모았다.

또 이 합성법은 단순히 배터리 뿐만 아니라 촉매 등 또 다른 신재생에너지로의 활용도 가능할 것으로 전망되고 있다.

연구팀은 앞으로 이 합성법을 이용, 용량을 10배까지 늘릴 것으로 예측되고 있는 실리콘을 배터리에 응용하는 연구를 진행할 계획이다.

한편 이 연구성과는 미국화학회가 발행하는 나노분야 세계적 권위지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’지를 통해 발표됐으며 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하고 있는 ‘글로벌프론티어 사업’, ‘중견연구자지원사업 (핵심연구)’과 한국화학연구원 ‘OASIS’사업의 지원을 받았다.

김지형 기자