전환반응 기반 음극 소재 "새롭게 접근"
전환반응 기반 음극 소재 "새롭게 접근"
  • 이상진
  • 승인 2019.06.26 20:15
  • 조회수 695
  • 댓글 0
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윤원섭 성균관대학교 에너지과학과 교수 연구팀이 금속 복합 산화물 틴 페라이트의 고용량 음극 소재를 개발해 소재의 동적 사이클 라이프를 밝혔다고 전했습니다. 

금속복합산화물의 고용량 음극 소재가 개발됐습니다. 출처:fotolia
금속복합산화물의 고용량 음극 소재가 개발됐습니다. 출처: fotolia

차세대(Next-generation) 전지의 필수 요건 중 하나인 고 에너지 밀도. 이를 충족시키기 위해 전환반응 기반의 다양한 금속 산화물(MxOy)들이 고용량 소재로 각광받고 있는데요. 하지만 전환반응은 환원된 금속 원자들끼리의 응집(Agglomeration)을 수반해 역(Reverse)전환반응 시 금속의 산화는 초기 금속 산화물의 산화수(Oxidation number)까지 도달하기 어렵고 MxOy-δ를 형성하는 데 그침에 따라 원론적으로 이론용량에 도달하지 못한다는 한계가 있었습니다.

 

연구팀은 이러한 불완전(Incomplete) 전환 반응의 한계를 극복하고자 충전과 방전 시 부피 팽창이 큰 원소를 호스트(Host) 구조에 완전히 통합된 단일상(Single phase) 구조로 디자인했습니다. 또 반복되는 충전과 방전 과정 중에 발생되는 부피 팽창과 수축을 금속과 산소의 접촉기회(Contact opportunity)를 늘리는 원동력이 될 수 있게 구상하여 사이클 도중 소재의 산화수가 회복(Recovery)되도록 디자인했죠. 

 

이에 Sn이 호스트 Fe3O4 격자(Lattice)에 완전히 통합된 틴 페라이트 구조와 함께 그래핀 옥사이드와의 복합체 형성을 통하여 완전 전환 반응을 유도했고 현재까지 보고된 Sn 기반의 복합 산화물 소재 중 최고 성능(~1400mAh/g)을 달성했습니다. 이는 현재 상용화된 흑연 음극재(~370mAh/g) 용량을 3배 이상 크게 상회하는 값인데요. 현존 전환반응 기반 금속 복합 산화물 소재의 용량을 최고 수준으로 끌어올린 의미가 있다는 설명입니다.

윤원섭 교수. 출처:성균관대학
윤원섭 교수. 출처:성균관대학

전지의 사이클 라이프 동안 산화철(Iron oxide)에서 수산화철(Iron oxyhydroxide)로의 호스트 구조의 상변이(Phase transformation)도 규명됐습니다. 이는 전지의 수명을 이해하는 작동기구 연구 차원에서 의미가 있습니다. 이번 연구 결과는 국제학술지 <ACS Nano>에 게재됐습니다.


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