- 3차원 다공성 구조를 갖는 주석•코발트 합금 음극소재 합성 기술 개발
- 기존의 흑연 소재 대비 2배 이상의 리튬 저장 용량 및 구조적 유연성 확보
- 고용량 고출력 리튬이온전지용 전극 소재를 개발하는데 활용될 수 있을것으로 기대

자연과학대학 화학과 김지만 교수 연구팀은 충방전과정 중 발생하는 전극 소재의 부피변화를 제어할 수 있는 주석계 합금 나노 소재 기술을 개발하였다. 리튬이온전지는 지난 20년 동안 괄목할 만한 성능 향상을 보여왔으며, 현재까지 휴대전자기기의 개발 및 보급에 결정적인 기여를 하였다. 하지만 리튬이온전지의 고에너지밀도화를 가능하게 하기 위해서는 상용화된 흑연 음극 소재의 이론적 용량 한계(372 mAh/g)를 극복하고 고용량 및 고안정성을 구현할 수 있는 음극소재를 개발하는 것이 필수적이다. 기존 음극소재인 흑연 전극을 대체할 고용량 소재의 후보로서 금속계 소재(실리콘, 게르마늄, 주석 등)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 충•방전시 수반되는 전극 소재의 큰 수축과 팽창(~300%)이 전극의 분말화(pulverization) 및 균열(cracking)을 초래하여 전지의 성능이 저하되고, 수명이 짧아지는 원인이 되고있다. 

연구진은 주석(Sn)과 코발트(Co)를 이용하여, 두께가 5 nm(머리카락의 만분의 1)에 불과한 규칙적인 벌집 형태의 합금을 성공적으로 합성하였고, 리튬이온전지용 음극 소재로 적용하여 성능을 크게 향상시켰다. 합성된 주석•코발트 합금 음극소재는 흑연 소재 대비 2배 이상의 리튬 저장 용량을 발현할 뿐만 아니라, 리튬과 반응성이 없는 코발트가 주석 입자 주위에 분포되어 있고 동시에 3차원 다공성 구조로 되어있어 반복적으로 충•방전을 할 때 체적변화를 완화하는 역할을 하게 된다. 

또한 방사광가속기(Synchrotron Radiation)을 이용한 실시간 X-선 소각산란분석 (In Operando Small Angle X-ray Scattering Analysis)를 통하여 전극 소재 내부의 체적변화를 관측한 결과, 충전시 41%에 불과한 부피 팽창율을 보일 뿐만 아니라 수 사이클 하에도 구조적 유연성을 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 

이번 연구 결과는 정교한 전극 소재 설계를 통해 전지의 수명 저하 문제를 해결할 수 있는 가능성을 보여주며, 고용량 고출력 리튬이온전지용 전극 소재를 개발하는데 활용될 수 있을것으로 기대된다. 

본 연구에는 성균관대 에너지과학과 윤원섭 교수 및 한양대 에너지공학과 김한수 교수 연구팀이 공동으로 참여하였으며, 연구 결과는 소재 과학분야 세계적 권위의 학술지 'Advanced Functional Materials'에 5월 3일자 표지논문으로 게재됐다.

논문 제목 : Discovering Dual-Buffer Effect on Lithium Storage: Durable Nanostructure of Ordered Mesoporous Co-Sn Intermetallic Electrode