저비용·고출력 게르마늄 전지 소재 개발

전기차 충전 난제 해소 기대

국내 연구진이 저렴하고 간단한 공정을 이용해 기존 흑연 소재보다 출력밀도는 40배 이상이고, 에너지 저장용량은 4배 높은 고출력 게르마늄 리튬이온전지용 음극 소재를 개발했다. 추후 이 소재가 전지 출력 및 사용시간이 관건인 전기차의 고성능화 및 보급화에 기여할 것으로 기대된다.

한국연구재단은 전남대 박찬진 교수팀이 기존 흑연 전극보다 에너지 저장용량 4배, 출력 밀도 40배 이상의 게르마늄 전극 소재 개발했다고 21일 밝혔다.

3차원 다공성 나노구조 게르마늄/탄소 음극소재의 제조과정 모식도

게르마늄은 기존 소재인 흑연보다 많은 양의 리튬을 저장할 수 있어 차세대 리튬이온전지 전극 소재로 주목 받아왔다. 하지만 충방전 시 급격한 부피변화를 일으켜 반복 사용 시 성능이 저하되는 단점이 있었다.

이에 연구팀은 졸겔(sol-gel)법을 이용해 제조된 GeO2 나노입자와 PVP를 혼합하고 열분해 및 환원 과정을 거쳐서, 나노 게르마늄 입자를 탄소가 감싸고 있음과 동시에 현무암과 유사한 3차원 다공성 구조를 갖는 독창적인 구조의 이차전지 음극소재를 제조했다. 졸겔법은 보통 세라믹 재료를 합성하기 위한 방법으로, 합성과정 중에 액체에 고체가 녹아있는 졸 상태를 거쳐서 용액이 응고돼 있는 겔 상태를 지난 후 원하는 나노분말 등을 얻는다.

연구 결과 연구팀은 리튬저장용량이 흑연의 4배 이상인데다 고속으로 1천회 충방전 시켜도 초기 용량의 89%를 유지해 성능 저하가 거의 없는 게르마늄 음극 소재를 개발했다.

개발된 소재는 최고 속도로 3초 만에 완전 방전시켜도 흑연의 최고 용량보다 120% 높은 방전 용량을 기록했다. 방전 용량은 전극을 완전히 방전했을 때 단위 무게당 내는 전기량을 뜻한다.

또한 저렴한 게르마늄 산화물과 탄소 원자가 결합된 고분자의 일종인 PVP의 혼합물을 아르곤 가스 속에서 열처리하는 간단한 공정을 통해 만들 수 있어 양산시 가격 경쟁력도 가질 수 있을 것으로 기대된다.

박찬진 교수는 “전지 출력 및 사용시간이 관건인 전기차의 고성능화 및 보급화에 기여하는 것은 물론, 향후 모바일기기, 의료기기, 군용기기 및 대용량 에너지 저장 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다”라고 밝혔다.

한편 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 지난 8월 17일에 온라인 게재됐다.