윤원섭 성균관대학교 에너지과학과 교수 연구팀이 금속 복합 산화물 틴 페라이트의 고용량 음극 소재를 개발해 소재의 동적 사이클 라이프를 밝혔다고 전했습니다.
차세대(Next-generation) 전지의 필수 요건 중 하나인 고 에너지 밀도. 이를 충족시키기 위해 전환반응 기반의 다양한 금속 산화물(MxOy)들이 고용량 소재로 각광받고 있는데요. 하지만 전환반응은 환원된 금속 원자들끼리의 응집(Agglomeration)을 수반해 역(Reverse)전환반응 시 금속의 산화는 초기 금속 산화물의 산화수(Oxidation number)까지 도달하기 어렵고 MxOy-δ를 형성하는 데 그침에 따라 원론적으로 이론용량에 도달하지 못한다는 한계가 있었습니다.
연구팀은 이러한 불완전(Incomplete) 전환 반응의 한계를 극복하고자 충전과 방전 시 부피 팽창이 큰 원소를 호스트(Host) 구조에 완전히 통합된 단일상(Single phase) 구조로 디자인했습니다. 또 반복되는 충전과 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 디자인했죠.
이에 Sn이 호스트 Fe3O4 격자(Lattice)에 완전히 통합된 틴 페라이트 구조와 함께 그래핀 옥사이드와의 복합체 형성을 통하여 완전 전환 반응을 유도했고 현재까지 보고된 Sn 기반의 복합 산화물 소재 중 최고 성능(~1400mAh/g)을 달성했습니다. 이는 현재 상용화된 흑연 음극재(~370mAh/g) 용량을 3배 이상 크게 상회하는 값인데요. 현존 전환반응 기반 금속 복합 산화물 소재의 용량을 최고 수준으로 끌어올린 의미가 있다는 설명입니다.
전지의 사이클 라이프 동안 산화철(Iron oxide)에서 수산화철(Iron oxyhydroxide)로의 호스트 구조의 상변이(Phase transformation)도 규명됐습니다. 이는 전지의 수명을 이해하는 작동기구 연구 차원에서 의미가 있습니다. 이번 연구 결과는 국제학술지 <ACS Nano>에 게재됐습니다.
