저비용, 고출력 게르마늄 음극 소재 개발

[산업일보]
한국연구재단(이사장 정민근)은 “국내 연구진이 저렴하고 간단한 공정을 이용해 기존 흑연 소재보다 출력밀도는 40배 이상, 에너지 저장용량은 4배나 높은 고출력 게르마늄 리튬이온전지용 음극 소재를 개발했다”라고 밝혔다.

전남대 박찬진 교수팀의 이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 추진하는 지역대학우수과학자 지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 과학적 성과를 인정받아 최상위 학술지인 에너지와 환경과학 (Energy & Environmental Science)에 후면 표지 논문으로 선정돼 온라인상으로 게재됐다.

리튬이온 전지는 모바일기기, 수송, 대용량 에너지 저장 응용 분야에서 주 에너지 저장 장치로 이용되고 있다. 그러나, 현재의 리튬이온 전지 기술을 이용한 전기차의 운행거리는 불과 150 km 정도에 불과해 기존 내연기관 자동차 수준의 성능을 기대하는 소비자의 수요를 만족시킬 수 없다.

이를 개선하기 위한 방법 중 하나는 전지 음극소재로 실리콘이나 게르마늄과 같은 고용량 합금계 음극을 사용하는 것이다. 그러나, 이들 합금계 음극은 제조공정이 상대적으로 복잡할 뿐 아니라 전지의 충반전 과정 중 일어나는 급격한 부피팽창으로 인해 수명이 급격히 저하되는 문제점을 가지고 있다. 또한, 기존의 흑연에 비해 출력밀도 또한 상대적으로 열위한 단점을 가지고 있다.

본 연구에서는 저가의 원료 및 간단한 제조공정을 이용해 독창적인 3차원 다공성 구조의 게르마늄-탄소 복합체를 제조했으며, 제조된 소재는 높은 용량과 긴 사이클 수명을 달성함과 동시에 무엇보다도 슈퍼커패시터에 필적하는 고율방전 특성을 보임으로써 고성능 전기차와 같은 응용분야에 이용이 기대된다.

본 연구를 통해 개발된 3차원 나노다공성 구조의 게르마늄 전극은 고용량, 장수명, 특히 뛰어난 출력특성으로 인해 최근에 각광을 받고 있는 고성능 전기차 등에 활용이 가능하다. 더불어 모바일 기기, 군용, 의료용 기기 및 대용량 에너지저장용 전지에도 활용 가능할 것으로 기대된다.