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차세대 전지 개발 앞당길 전환반응 기반의 음극 소재에 대한 새로운 접근 제시
차세대 전지 개발 앞당길 전환반응 기반의 음극 소재에 대한 새로운 접근 제시
  • 교수신문
  • 승인 2019.06.18 08:42
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성균관대 에너지과학과 윤원섭 교수 연구팀

 

성균관대학교(총장 신동렬)는 에너지과학과 윤원섭 교수 연구팀이 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 지난달 28일 발행됐다고 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 어려워 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.


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