요약
연어의 DNA를 이용한 고용량 배터리 소재가 개발됐습니다. 리튬이온과 친화력이 우수한 연어의 DNA를 이용해 수용액상에서 비교적 친환경적이고 간단한 방법을 통해 리튬 과잉 양극소재(OLO) 표면을 안정화시켰습니다. 덕분에 고성능 양극소재를 개발할 수 있었습니다.
최근 국내 연구진이 차세대 고용량 양극 소재를 개발했습니다. 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 정경윤 단장, 장원영 박사 연구팀이 UNIST 이상영 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 연어의 DNA를 활용해 리튬 과잉 양극 소재(Over-Lithiated Oxide, OLO)의 표면을 안정화시켜 고성능 양극 소재를 개발했습니다. 해당 연구는 <Advanced Energy Materials>에 게재됐습니다.
고용량의 양극 소재 개발이 핵심
리튬이온전지는 이차전지의 일종입니다. 충전 과정에서 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동해 저장됩니다. 이 양극에 저장할 수 있는 리튬이온이 많을수록 전지의 용량은 향상되는데요. 즉, 고용량의 양극 소재 개발은 리튬이온전지 용량 증대의 핵심입니다.
리튬 과잉 양극 소재(OLO)는 이론용량이 250mAh/g(기존 상용화 소재 160mAh/g)으로 에너지 저장용량을 50% 이상 상승시킬 수 있는 차세대 양극 소재로서 오랫동안 주목받아왔습니다. 하지만 충·방전 과정에서 리튬이 위치한 금속층이 붕괴되고 부풀어 올라 더 이상 사용할 수 없게 되는 문제가 있었습니다.
KIST 연구진은 투과전자현미경을 이용하여 기존 OLO 소재의 표면과 내부의 결정구조 변화를 각각 위치별로 분석했습니다. 그 결과 전지 구동 후 전극의 표면에서부터 금속층 붕괴가 진행된다는 사실을 확인했습니다.
- 리튬 과잉 양극 소재(Over-Lithiated Oxide, OLO)
리튬이온전지에 적용된 양극 소재가 지닌 층상 구조에서 전이금속 층의 전이금속을 리튬으로 대체함으로써, 다량의 리튬을 함유한 소재입니다.
- 투과전자현미경
일정 속도로 가속된 전자의 회절 현상을 이용하여 다양한 물질에 대해 원자 수준 분해능 이미지를 얻을 수 있는 장비입니다.
리튬이온과 친화력 높은 연어의 DNA 이용했다
이에 공동 연구진은 리튬이온과 친화력이 우수한 연어의 DNA를 활용해 소재 붕괴의 원인인 표면 구조를 제어했습니다. 하지만 DNA는 수용액 내에서 거대하게 뭉쳐지는 문제가 있는데요. 탄소나노튜브(CNT)와 합성해 이를 극복하고 균일하게 배열, OLO 표면에 부착하여 새로운 양극 소재를 개발했습니다. 참고로 탄소나노튜브(Carbon NanoTube)란 탄소원자로만 이뤄진 원통형의 나노 구조체를 말합니다.
KIST 연구진은 통합 고도분석법(개별 입자에서부터 전극 범위까지 분석)으로 분석해 OLO 소재의 전기화학적 특성 및 구조 안정성 향상의 메커니즘을 규명했습니다. 실시간 X-선 분석기법으로 충·방전이 진행되는 과정에서 전극 소재의 구조 붕괴가 억제됨을 확인했고 구조 변화 분석을 통해 배터리가 과열되더라도 안정적임을 확인했습니다.
UNIST 이상영 교수는 "합성 소재에 기반한 기존 시도들과는 다른 개념인 생명체의 기본 물질인 DNA를 이용한 연구 결과로서 고성능 전지 소재 개발의 새로운 방향을 소개했다"고 그 개발 의미를 밝혔습니다.
KIST 정경윤 단장은 "통합 고도분석법을 통하여 고에너지·안전성 양극 소재의 설계 인자를 제시했다는 것에 큰 의미가 있다"며 "본 연구 결과를 토대로 기존 상용화 양극 소재를 대체할 신규 소재 개발 연구에 더욱 박차를 가할 것"이라고 포부를 밝혔습니다.
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