뼈의 형성과정 이용해 전지 효율 높여
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뼈의 형성과정 이용해 전지 효율 높여
  • 이지혜 기자
  • 승인 2011.01.16 22:06
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국내 최초로 나노 분야와 전지 분야를 융합, 수명 긴 전지 개발에 성공

신소재공학과 강기석 교수팀과 박찬범 교수팀이 뼈의 형성과정을 모방해 우수한 성능을 갖는 리튬 이차전지용 전극소재 합성 기술 개발에 성공했다. 생체재료분야와 리튬전지분야의 융합 연구로 이루어진 이번 연구는 뼈가 형성되는 과정을 이용해 나노 구조를 지닌 철인산염을 합성하고, 이를 전극소재로 활용해 전지의 효율을 높인 것이다.

이번 연구 결과는 재료공학분야 학술지인 <Advanced Materials> 온라인 판에 게재되었다.


뼈의 형성과정을 전극소재에 응용하다

박 교수팀은 뼈를 형성하는 화합물인 칼슘인산염과 전지의 우수한 재료로 알려진 철인산염의 분자 구조가 유사한 점에 착안해 연구를 진행했다.

A. 뼈의 나노구조(막대모양은 콜라겐 나노섬유, 덩어리 모양은 칼슘인산염 나노결정)
B. 뼈 형성 원리를 모방한 나노 구조 전극물질 합성
C. 철인산염 나노튜브의 전자현미경 사진
D. 철인산염 나노튜브를 통한 리튬이온의 확산 / 박찬범 교수

일반적으로 뼈의 나노구조는 단백질 성분인 콜라겐 섬유에 칼슘인산염이 침착되어 형성된다.(그림A) 박 교수팀은 이 현상을 모방해 펩타이드 나노섬유에 철인산염을 침착시켰다.
박 교수팀은 펩타이드가 스스로 접합하는 성질을 이용해 나노섬유 구조를 합성했다. 그리고서 펩타이드 나노섬유가 철 이온을 흡수하도록 했다. 그런 뒤 인산 이온을 가해 펩타이드 나노섬유가 철인산염으로 코팅되도록 했다.(그림B)

박 교수팀은 철인산염으로 코팅한 펩타이드 나노섬유를 300℃에서 열처리해 내부를 탄소층으로 코팅했다.(그림3D) 새롭게 형성된 탄소층은 전도성 있는 탄소로 구성되어 쉽게 전기가 흐른다.


철인산염 나노튜브로 전지 수명을 늘려

강 교수팀은 박 교수팀이 개발한 철인산염 나노튜브가 전도성을 띤다는 것에 착안해 철인산염 나노튜브를 전지 분야에 적용했다. 기존 리튬 이차전지는 전지를 충·방전하는 횟수가 늘어날수록 전지의 최대 출력량이 줄어들어 전지의 수명이 줄어드는 단점이 있었다. 강 교수팀은 철인산염 나노튜브를 전지 전극 구조로 이용해 리튬 이차전지의 에너지 효율을 높였다.

리튬 이차전지의 성능은 리튬 이온의 이동성으로 결정된다. 빠르게 이동하는 리튬 이온은 에너지를 방출하고 저장하는 능력이 뛰어나다. 철인산염 나노튜브를 이용하면 전지 전극 구조의 표면적을 넓힐 수 있고, 리튬 이온의 확산에 필요한 거리를 좁힐 수 있다. 표면적이 넓어지고 이동거리가 좁아지면 리튬 이온은 빠르게 이동할 수 있다. 따라서 리튬 전지는 더 효과적으로 에너지를 저장하거나 방출할 수 있다. 즉, 철인산염 나노튜브를 사용한 전지는 효과적으로 에너지를 충·방전하기 때문에 전지의 최대 출력량이 줄어드는 정도가 기존보다 작아 전지의 수명이 길다.

신개념 융합 연구의 장을 이끌어 내
이번 연구 결과는 융합 연구로서의 중요성이 인정되어 <Nature Publishing Group> 아시아 판에 소개되었다.

박 교수는 “이번 연구가 바이오 분야와 전지 분야의 최초 융합 연구라는 점에서 의의가 크다”라며 “철인산염 외에 각종 기능성 소재 개발에 응용할 수 있어 리튬 이차전지뿐만 아니라 차세대 유·무기 나노복합소재 개발에 이바지할 것으로 생각한다”라고 덧붙였다.

강 교수는 “기술적인 돌파구가 필요한 리튬전지 개발에 새로운 가능성을 제시할 수 있다는 우수한 연구사례로 평가받고 있다”라고 그 의의를 밝혔다.


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