IBS, '갈바닉 현상 역이용' 고용량 배터리 가능성 열어

기초과학연구원(IBS) 연구진이 금속이 부식되는 원리를 역이용해 배터리의 용량을 높이는 연구결과를 얻었다.

24일 미래창조과학부에 따르면 ‘나노입자연구단’ 현택환 단장(서울대 화학생물공학부 중견석좌교수)은 리튬이온배터리, 태양전지와 같은 에너지 소자의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 ‘산화물 나노입자의 갈바닉 부식 작용기전’을 규명했다.

갈바닉(Galvanic) 교환반응은 금속이 부식되는 작용기전 중 하나로, 금속 나노재료의 성능을 높이는 가장 간단하고 직접적인 방법을 제공한다.

하지만 지금까지 금속 나노입자에만 적용 가능한 것으로 여겨졌다.

연구단은 이번 연구를 통해 금속산화물 나노결정에도 이 부식원리가 적용된다는 것을 증명했다.

금속산화물과 같은 이온결정은 금속과는 반대로 부식되는 물질에서 음극반응이 일어나고, 침적되는 물질에서 양극반응이 일어난다는 점을 이용했다.

이렇게 갈바닉 교환반응을 금속산화물 나노입자에 역으로 적용한 결과, 나노박스(nanobox)가 생성됐고, 철 과염소산염의 농도를 증가시킴에 따라 순수한 산화철 나노케이지(nanocage)로 변환됐다고 현 단장은 설명했다.

생성된 나노박스와 나노케이지의 속이 빈 구조는 더 많은 공간을 확보하게하고, 다공성 구조는 물질의 이동을 원활하게 해줘 에너지 저장능력을 획기적으로 증가시킨다는 것.

이는 리튬이온전지 실험에서 흑연을 음극으로 사용하는 것보다 최대 3배까지 용량을 향상시키는 것으로 확인됐다. 또 수많은 충방전 이후에도 성능저하(0.5%)가 거의없었다고 현 단장은 밝혔다.

현 단장은 “이번 연구 결과는 망간과 철 산화물 나노입자뿐 아니라 코발트와 주석 산화물, 망간과 주석 산화물 등 다금속 및 다공성 금속산화물 나노입자의 제조에 광범위하게 적용될 수 있다”며 “대량생산도 가능함에 따라 의약품과 MRI 조영제 등 생의학 분야 발전에도 기여할 것으로 보인다”고 전망했다.

이번 연구결과는 ‘사이언스 (Science)’ 5월 24일 본지에 게재됐고, 나노입자연구단 오명환 박사가 제1저자로 참여했다.

▲갈바닉 교환환원전위가 낮은 금속이 환원전위가 높은 금속 이온을 만날 경우, 환원전위가 낮은 금속은 산화·용해되고 환원전위가 높은 금속 이온은 환원돼 환원전위가 낮은 금속의 표면에 달라붙는 (침적)현상.

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