에너지과학과 윤원섭 교수 연구팀, 차세대 전지 개발 앞당길
전환반응 기반의 음극 소재에 대한 새로운 접근

- 금속 복합 산화물 틴 페라이트(Tin ferrites, Fe3-xSnxO4) 음극 소재 개발 -
- 고(高) 밀도 전지 성능 구현과 전지의 작동기구(Working mechanism)에 대한 편견 규명 -
- 전환반응(Conversion reaction) 기반의 음극 소재에 대해 새로운 시야와 접근 방법 제시 -
- 5월 28일 세계적 권위의 학술지‘ACS Nano’지에 논문 발행 -

[그림1] 사이클 라이프 동안 회복되는 금속 복합 산화물의 전환반응 및 

호스트 구조의 상변이를 갖는 전환반응의 동적 작동기구에 대한 모식도

에너지과학과 윤원섭 교수 연구팀은 금속 복합 산화물 틴 페라이트의 고용량 음극 소재를 개발하여 소재의 동적 사이클 라이프(Dynamic cycle life)를 밝힌 논문이 소재과학(Materials science) 분야의 권위 있는 학술지 ‘ACS Nano’에 지난 5월 28일(화) 발행되었다고 밝혔다.

차세대(Next-generation) 전지에서 요구되는 필수적인 요건 중 하나인 고 에너지 밀도를 충족시키기 위해 전환반응 기반의 다양한 금속 산화물(MxOy)들이 고용량 소재로 각광받고 있다. 그러나 전환반응은 환원된 금속 원자들끼리의 응집(Agglomeration)을 수반하므로, 역(Reverse) 전환반응 시 금속의 산화는 초기 금속 산화물의 산화수(Oxidation number)까지 도달하기 어렵고 MxOy-δ를 형성하는데 그침에 따라 원론적으로 이론용량에 도달하지 못한다는 한계가 있었다. 

연구팀은 이러한 불완전(Incomplete) 전환반응의 한계를 극복하고자 충/방전 시 부피 팽창이 큰 원소를 호스트(Host) 구조에 완전히 통합된 단일 상(Single phase) 구조로 디자인하였다. 그리고 반복되는 충/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 디자인하였다. 이에 Sn이 호스트 Fe3O4 격자(Lattice)에 완전히 통합된 틴 페라이트 구조와 함께 그래핀 옥사이드와의 복합체 형성을 통하여 완전 전환반응을 유도하였고, 현재까지 보고된 Sn 기반의 복합 산화물 소재 중 최고 성능 ~1400 mAh/g을 달성하였다. 이는 현재 상용화된 흑연 음극재(~370 mAh/g) 용량을 3배 이상 크게 상회하는 값으로, 현존 전환반응 기반 금속 복합 산화물 소재의 용량을 최고 수준으로 끌어올린 의미가 있다.

나아가 본 연구에서는 전지의 사이클 라이프 동안 산화철(Iron oxide)에서 수산화철(Iron oxyhydroxide)로의 호스트 구조의 상변이(Phase transformation)를 규명하였다. 이는 기존 전환반응에 대한 전통적인 시각인‘매 충/방전 사이클에서의 전환반응은 그 가역성의 정도(Degree of reversibility)에만 차이가 있다’를 뛰어넘는 새로운 프레임(Frame)을 제시하는 것으로 전지의 수명을 이해하는 작동기구 연구에 선구자적 의미가 있다. 본 연구는 한국연구재단이 지원하는 기초연구실지원사업을 통해 수행되었다.

<왼쪽부터 엄지현 연구교수(공동1저자), 코살리아 팔라니사미 박사(공동1저자), 

정미희 대학원생(공동1저자), 윤원섭 교수(교신저자)>