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▲윤원섭 성균관대학교 에너지과학과 교수 |
성균관대학교(총장 신동렬) 에너지과학과 윤원섭 교수 연구팀은 주석(Sn) 기반 에너지금속 복합 산화물 ‘틴 페라이트’의 고용량 음극 소재를 개발해 소재의 ‘동적 사이클 라이프(Dynamic cycle life)’를 밝혀냈다. 이러한 내용을 담은 논문이 최근 소재과학 분야 권위 있는 학술지 ‘ACS 나노(Nano)’에 실렸다.
차세대 전지에서 요구되는 필수적 요건 중 하나인 고 에너지 밀도를 충족시키기 위해 전환반응 기반의 다양한 금속 산화물이 고용량 소재로 각광받고 있다. 하지만, 전환반응은 환원된 금속 원자들끼리 응집하도록 해 역(亦)전환반응 때 초기 금속 산화물의 산화수(Oxidation number)까지 도달하기 어렵다. 이 때문에 전지가 이론적으로 산출된 용량까지 도달하지 못한다는 한계가 있었다.
연구팀은 이러한 불완전 전환반응의 한계를 극복하고자 충·방전 시 부피 팽창이 큰 원소를 호스트(Host) 구조에 완전히 통합된 단일 구조로 만들었다. 반복되는 충·방전 과정에서 발생하는 부피 팽창과 수축이 금속과 산소의 접촉기회를 늘려, 동적 사이클 도중에 소재의 산화수가 회복되도록 만들었다. 이를 통해 현재까지 보고된 주석 기반 복합 산화물 소재 중 최고 성능인 1g 당 1400밀리암페어시(mAh)를 달성했다. 이는 현재 상용화된 흑연 음극재(370 mAh/g) 용량을 3배 이상 크게 상회하는 값으로, 현존 전환반응 기반 금속 복합 산화물 소재 용량을 최고 수준으로 끌어올렸다.
나아가 해당 연구에서는 전지의 사이클 라이프가 이뤄지는 동안 산화철에서 수산화철로의 호스트 구조 상변이 과정을 규명했다. 성균관대 관계자는 "충·방전 사이클 과정에 관한 새로운 프레임을 제시해, 전지 수명을 이해하는 작동기구 연구에 선구자적 의미를 갖는다"고 강조했다.
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