국내 연구진이 나뭇잎 모양을 이용하여 이차원 나노구조물을 개발했다. 개발된 물질은 각종 에너지 저장․공급 장치로 널리 이용되는 리튬이온전지의 음극재료로 용량이 크고 안정성이 높다는 특징이 있다.

기초과학연구원(IBS, 원장 김두철)은 나노입자 연구단 현택환 단장(서울대 화학생물공학부 중견석좌교수)과 성영은 그룹리더(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀이 이번에 개발한 음극재료는 고용량․고출력․고안정성의 전기적 특성을 동시에 만족시켜 주목된다.
이 음극재료의 용량은 현재 상용화된 흑연의 3배에 이른다. 300회 충전 및 방전이 진행되는 동안 단 3%의 용량저하만을 보인다. 또한 20분간 급속 충․방전에도 20%의 용량이 저하되는 등 우수한 출력을 지니고 있다.
* 현재 상용화된 음극인 흑연의 용량은 약 372mAh/g이나 연구팀이 개발한 복합나노구조물의 용량은 약 1000 mAh/g에 달한다.

연구팀은 나뭇잎 모양의 탄소나노구조물을 개발하여 큰 부피변화가 발생할 때 발생되는 안정성의 문제를 해결했다.
지금까지 리튬이온전지를 가볍게 만들기 위하여 고용량의 음극 물질을 연구했지만 충․방전 시 부피변화에 따른 문제가 동반되었다. 전극 재료를 나노 입자로 만들면 부피는 줄지만 늘어난 표면적 때문에 주반응이 아닌 부반응이 증가하는 단점이 있었다.
연구진은 나뭇잎 모양의 이차원 탄소나노구조물에 나노기공(Nanopore) 을 넣고, 그 기공 안에 산화주석(SnO₂) 나노입자를 주입하였다. 탄소 내부는 정육면체의 나노기공들이 배열되어 있어 부피가 크면서도 안정성을 유지할 수 있다.

또한 연구진이 개발한 이차원 구조는 리튬이온전달에 용이하고 전도성 탄소를 이용해 전자전달도 유리하다. 이는 리튬이온전지에서 충․방전 시간을 짧게 만드는 주요 요인으로 출력 특성이 우수함을 보여준다.
이번 연구성과는 기존에 개발하기 힘들었던 이차원구조, 기공구조, 정렬구조를 하나의 나노소재에 동시에 구현했다는데 큰 의미가 있다.
연구를 주도한 성영은 그룹리더(서울대 화학생물공학부 교수)는 “이번에 개발된 나노복합구조물에는 산화주석 이외에 다른 물질도 삽입할 수 있어 향후 다양한 조합의 고성능 음극 물질 개발을 기대할 수 있다”고 밝혔다.

이번 연구성과는 화학분야 세계 최고 권위 학술지인 미국화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society, IF 12.11) 온라인 9월 1일자에 게재됐다.

* (논문제목) Hybrid Cellular Nanosheets for High-Performance Lithium-Ion Battery Anodes
* 제1저자 : IBS 나노입자 연구단 유승호 박사, 이동준 박사과정생
* 교신저자 : IBS 나노입자 연구단 현택환 단장, 성영은 그룹리더