김광호 교수팀, 휴대폰·노트북 배터리 성능 2배 이상 높인다

(상층) 일반적인 탄소 코팅 및 셀렌화 방법에 의한 SnSex ⊂ CNS의 합성 경로의 개략도. (중층) 내부 Sn 및 Se의 도식적인 in-situ selanation 모식도. (하층) 리튬화/탈리튬화 과정 중 SnSex ⊂ CNS의 구조 변환 모식도. (자료제공: 부산대)

부산대학교(총장 차정인)는 재료공학부 김광호 교수팀이 탄소로 코팅된 주석셀레나이드(SnSe, 셀레늄화주석) 물질을 개발해 리튬이온전지 음극재의 성능을 향상시킨 연구결과를 발표했다고 지난달 18일 밝혔다.
‘리튬이온전지’는 충전식 배터리 중 에너지 용량에 비해 무게가 가장 가벼워 휴대전화·노트북 등 휴대기기에 널리 사용되고 있다. 리튬이온전지에는 방전 시 리튬이온을 저장하는 ‘양극재’와 충전할 때 리튬이온을 받아들이는 ‘음극재’가 들어 있다.
이번 연구는 리튬이온전지의 용량을 증가시키기 위해 기존의 음극재(anode) 소재로 사용돼 왔던 흑연 소재를 Si(규소), Sn(주석), Sb(안티몬) 등으로 대체하기 위해 시작됐다. Si, Sn, Sb은 높은 이론 용량을 가져, 기존의 흑연보다 리튬이온전지의 발전 가능성을 높일 수 있다.
그러나 이들 소재는 충전·방전하는 동안 급격한 부피 팽창을 일으켜 재료가 깨지는 등 배터리 수명을 단축시켰다. 이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 Sn(주석)에 주목했는데, Sn이 주기율표에서 VIA족 칼코겐(O-산소, S-황, Se-셀레늄)과 쉽게 반응해 이원 화합물을 합성하고 고용량을 달성할 수 있기 때문이다.
이러한 이원 화합물 중 주석과 셀레늄이 합쳐진 ‘SnSex’ 물질은 SnO₂(산화주석) 및 SnS₂(이황화주석)보다 더 큰 층간 간격과 더 약한 반데르발스 힘(중성분자 사이의 끌어당기는 힘)을 보이며, 0.9eV 정도의 낮은 밴드 갭 에너지를 나타낸다. 이 같은 특징은 리튬이온의 이동을 촉진하고 더 많은 리튬이온을 저장할 수 있게 해 재료의 부피 변화를 완충하는 장점을 가진다.
이번 연구에서는 손쉬운 셀레늄화 방법으로 탄소 나노구에 캡슐화된 계층적 SnSex(x= 1, 2) 나노입자를 성공적으로 합성했다. 탄소 나노구에 캡슐화된 SnSex 전극 물질은 높은 전기 전도성을 나타내고 큰 에너지 저장 용량을 가지고 있어 리튬이온전지의 음극재 전극으로 활용 가능성이 높다.
이번 연구에서 얻어진 SnSex ⊂ CNS(Carbon Nano Space, 탄소나노공간)는 250nm의 직경과 높은 표면적을 갖는 균일한 분산성을 나타냈고, 충·방전 반응 후 우수한 회복력과 안정적인 내부 공극을 갖는다는 것이 확인됐다. 탄소 나노구 구조는 부피 변화를 효율적으로 보완하는 것이 가능하고 우수한 사이클 안정성과 전기화학적 고용량 성능을 제공할 수 있다. 이는 상업용 흑연에 비하면 2배 이상의 전기적 성능에 해당하는 것이다.
연구팀은 이렇게 설계된 탄소로 코팅된 SnSex 소재가 높은 초기 쿨롱 효율, 우수한 사이클 안정성 및 우수한 속도 성능을 제공함을 확인했다. 이번 연구를 통해 열전 재료, 에너지 저장 및 촉매에 활용될 수 있는 안정적인 나노 구조를 가진 금속 셀레늄화물을 성공적으로 생산하고 활용하는 결과를 도출했다.
연구팀은 “증가하는 급속한 에너지 소비를 효율적으로 활용할 수 있는 차세대 고용량 에너지 장치의 설계를 가능하게 한다”며 “미래지향적 에너지 공급을 위한 에너지 저장 장치의 다용성 및 다양화를 주도할 수 있다”고 밝혔다.
이번 연구는 부산대 기본연구지원사업을 통해 수행됐다. 연구결과는 ‘Chemical Engineering Journal’ 온라인 11월 7일자에 게재됐다.