한국연구재단(이사장 조무제)은 박호석 성균관대 교수 연구팀이 거미줄 구조와 기능을 모방해 리튬이온전지 핵심 소재인 고성능 전극 활물질을 개발했다고 7일 밝혔다.

전극 활물질이란 리튬이온전지 4가지 구성요소인 양극, 음극, 전해액, 분리막 중 리튬 이온을 저장할 수 있는 양극과 음극을 통칭해 부르는 말이다.

현재 리튬이차전지 음극 소재로 쓰이고 있는 흑연의 용량 한계(약 370mA h/g)를 극복하기 위해 고용량 실리콘, 전이금속 산화물 등 다양한 소재들이 개발되고 있다. 그러나 대부분 고용량 소재는 낮은 전기 전도도로 인해 충전과 방전 속도가 느려지며 충·방전 시 발생하는 부피 팽창으로 안정성이 저하되는 문제점이 있다.

연구팀은 거미줄로 벌레를 포획하는 것과 같이 고용량 철 산화물 나노입자를 3차원 탄소나노튜브 웹 네트워크에 고정시켰다. 그 결과 820mA h/g 이상 고용량에서 300회 이상 충·방전 시에도 88% 이상의 용량을 유지하고, 충전 속도를 20배 빠르게 높여도 70% 이상의 율속 특성(충·방전 속도를 높임에 따른 용량 유지율이 좋아지거나 나빠지는 특성)을 보이는 전극 활물질을 개발했다.

또 연구팀은 얼음주형법을 활용해 거미줄 형태의 3차원 웹 구조로 다중벽 탄소나노튜브를 조립했다. 오존 처리 이후 거미줄처럼 끈적이는 기능을 가지도록 표면특성을 제어했다.
 
얼음주형법은 물에 콜로이드입자를 분산해 얼리고 얼음 결정이 성장하면 압력을 낮춰 승화시킴으로써 얼음 결정으로 공극을 만드는 주형 과정이다. 물을 얼리거나 승화시키는 과정을 제어함으로써 다층형 혹은 규칙적인 공극 구조를 만들 수 있다.

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

한편, 이번 연구성과는 에너지 분야 국제학술지인 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 지난 6일자 속표지 논문으로 게재됐다.