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흔한 금속으로 리튬이차전지 전극 싸게 만드는 법, 찾았다!

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흔한 금속으로 리튬이차전지 전극 싸게 만드는 법, 찾았다!

2017.01.24 18:00
자연에서 채집한 황토 사이에 전이금속인 망간의 화합물이 끼어 있다. 국내 연구진이 이처럼 자연계에 풍부한 망간 화합물로 리튬이차전지의 양의 전극을 만드는 기술을 개발했다. - 유럽지구과학연합 제공
자연에서 채집한 황토 사이에 전이금속인 망간의 화합물이 끼어 있다. 국내 연구진이 이처럼 자연계에 풍부한 망간 화합물로 리튬이차전지의 양의 전극을 만드는 기술을 개발했다. - 유럽지구과학연합 제공

자연계에서 흔히 볼 수 있는 금속을 활용해 값싸게 리튬이차전지 전극을 만들 수 있는 기술이 개발됐다.

 

강기석 서울대 재료공학부 교수팀은 기존 리튬이차전지의 양의 전극(양극) 소재를 대체할 수 있는 나노복합소재를 개발하고, 이 소재를 활용한 리튬이차전지의 에너지 저장 원리를 규명했다고 24일 밝혔다.

 

리튬이차전지의 양극 소재는 산화·환원 반응을 하는 리튬(Li)과 전이금속이 하나의 안정적인 결정 구조(착이온 상태)를 이뤄야만 한다. 하지만 이 같은 구조를 만들 수 있는 소재는 자연계에 그 수가 매우 적어 비용이 많이 들었다. 전기자동차 배터리에 쓸 수 있는 정도의 높은 에너지 밀도를 구현하는 소재는 더욱 제한적이었다.

 

☞ 전이금속: 전이금속은 주기율표에서 4~7주기, 3~12족에 해당하는 원소들을 말한다. 광택, 전기 전도성, 열 전도성을 갖지만, 단일 이온으로 존재하는 일반 금속과는 달리 일정한 수의 다른 원소와 결합한 착이온 형태로 존재한다.

 

연구진은 망간(Mn), 철(Fe) 등 가격이 싸고 자연계에 풍부한 금속을 이용한 일산화금속으로 나노복합소재를 개발했다. 특히 결정 구조를 형성하는 대신 리튬 화합물과 전이금속 화합물을 단순히 혼합하는 방법으로 양극 소재를 만드는 데 성공했다. 이들 금속은 그동안 리튬이차전지의 양극으로는 쓰지 못 했던 소재다.

 

연구진은 나노복합소재로 만든 양극의 에너지 저장 원리도 밝혔다. 리튬 화합물 부분에서 나온 음이온이 전이금속 화합물 부분의 표면에서 흡·탈착 반응을 하며 에너지를 저장하는 것을 확인했다.

 

강 교수는 “자연계에 존재하는 수많은 전이금속 화합물을 양극 소재로 활용할 수 있는 셈”이라며, “차세대 이차전지 전극 소재 개발의 가능성을 확장했다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.

 

이 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘네이처 에너지’에 게재됐다.

 

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