풀러렌, 흑연 자리 차지할 수 있을까?
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풀러렌, 흑연 자리 차지할 수 있을까?
  • 이현건 기자
  • 승인 2021.11.01 03:35
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- 순수 결정질 풀러렌 기반 리튬이온 이차전지 개발…흑연 음극재 대비 고용량과 장수명 성능

 

최근 지구 온난화 극복을 위한 탄소중립 및 친환경 정책이 세계적인 이슈가 되고 있는 가운데, 기존 시스템과 친환경 에너지 시스템을 활용으로 생산된 에너지의 배분 및 저장에 대한 연구 개발에 관심이 집중되고 있다. 특히, 에너지를 효율적으로 활용하기 위한 에너지 저장 및 활용 장치로서의 이차전지관련 기술은 차세대 먹거리 item으로 각국이 집중적으로 개발을 지원하고 있는 분야중의 하나이다. 

현재 자동차 및 에너지 저장장치로 활용하고 있는 리튬이온이차전지 (LIBs, Lithium-ion batteries)는 높은 에너지 밀도와 자가방전이 거의 없는 장점이 있으나, 과충전과 과방전시 액체 전해질의 분해로 인한 폭발의 위험이 존재한다. LIBs에서 불연성 전해질 합성 및 전고체전지(ASSBs, All-solid-state batteries)에 대한 연구가 진행되고 있으나, 현재 그 성능이 보편적인 상용화에는 이르지 못하고 있다. 따라서 기존 LIBs에 safety 기술 및 시스템 보완, 새로운 소재의 개발, 그리고 공정에서 발생하는 문제점들을 해결해 나가고 있다. 

현재 사용중인 LIBs에서 양극은 전지의 저장량을 결정하는 중요한 요소중의 하나이지만, 낮은 에너지 밀도와 고가로 인해 코발트가 없는(Co-free) 또는 높은 니켈 함량의 소재 연구가 진행중이다. 그리고 음극 활물질로 사용중인 흑연(graphite)은 낮은 이론 비용량을 대체하기 위한 실리콘 나노입자와 탄소 복합물 소재를 개발하고 있으나 낮은 고율 안정성과 싸이클 안정성으로 인해 보완이 필요하다. 따라서, 흑연을 대체할 수 있는 고용량/고율, 고안정성, 원천성 확보가 가능한 신소재에 대한 연구가 필요하다. 

         부산대 조채용 교수

한국연구재단(이사장 이광복)은 조채용 교수(부산대학교) 연구팀이 새로운 열증발-냉각법을 개발하여 수백 나노미터 크기의 균일하고 순수한 풀러렌 결정질 나노입자를 얻는데 성공했다고 밝혔다. 풀러렌(C60: fullerene)은 탄소(C) 원자가 60개로 오각형 12개 육각형 20개로 연결된 축구공 모양의 매우 안정한 분자로 탄소 동소체 중의 하나이다.

나아가 이렇게 얻은 결정질 나노입자를 기존 리튬이온 이차전지 음극소재인 흑연과 비교해 비용량이 2배 이상 높았으며 1,000회 이상 충·방전 했을 때 탁월한 안정성을 보였다.  
※ 이론 비용량 (theoretical specific capacity) : 전지의 전극소재가 이론적으로 가질 수 있는 전자수로 단위질량당 또는 단위부피당 전하의 양을 의미하며 단위는 각각 mAh/g과 mAh/cm3이다. (예) 흑연 (372 mAh/g), 그래핀 (744 mAh/g), Si(Li4.4Si, 4200 mAh/g) 등

연구팀은 최초로 합성한 면심입방(face-centered cubic, fcc) 구조의 순수한 풀러렌 나노입자는 이론적으로 예측된 것(12개)보다 훨씬 많은 리튬이온(최대 21개)을 저장할 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 실험 결과를 바탕으로, 풀러렌 분자로 구성된 면심입방 구조에서 추가로 리튬이 들어갈 가능한 공간을 계산하였다. 
※ 면심입방구조(face-centered cubic, fcc) : 정육면체 각 모서리에 8개와 각 면의 중심에 6개의 원자 또는 분자로 구성된 결정구조의 형태      

 

기존에도 풀러렌에 여러 기능성 그룹을 결합하거나 구조를 변형시켜 용량을 높이려는 시도는 있었으나 이번 연구결과는 순수한 풀러렌을 결정화하여 얻은 것으로 차별화된다. 

연구팀은 흑연 대신 풀러렌을 음극으로 적용할 경우 리튬이온 이차전지에서 높은 에너지 밀도와 장기 안정성을 유지할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 

충·방전 과정 동안 풀러렌 결정 내 리튬이온의 증감에 따른 구조 변화를 동시 X-선 회절분석기(in-situ XRD)와 비동시 투과전자현미경(ex-situ TEM)을 통해 확인하였다. 또한 연구팀은 리튬이온 증가에 따른 풀러렌 결정구조 변화를 이론적으로 시뮬레이션하는 연구를 지속할 계획이다. 

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구과제 및 기초연구실사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 재료분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 10월 28일자로 출판 (Back Cover 선정)되었다. 

 


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