“전기자동차 고성능화·보급 기여” 전남대 박찬진 교수팀, 게르마늄 음극 소재 개발 ‘주목’ 박은성 기자 pes@kjdaily.com

2015년 09월 21일(월) 19:30

“향후 전지 출력 및 사용시간이 관건인 전기자동차의 고성능화와 보급화에 기여할 것으로 기대됩니다.”

이 지역 대학 연구진이 모바일기기에 널리 사용되는 리튬이온전지를 자동차 등 고용량 고출력 장비에 사용할 때 걸림돌이 되는 저장용량과 출력밀도 문제를 개선할 수 있는 게르마늄 음극 소재를 개발해 주목을 끌고 있다.

주인공은 전남대 신소재공학부 박찬진(사진) 교수팀.

21일 전남대 등에 따르면 박 교수팀이 저렴하고 간단한 공정을 이용해 저장용량을 기존 흑연 소재 전극보다 4배 늘리고 출력밀도를 40배 이상 높일 수 있는 저비용 고출력 게르마늄 음극 소재를 개발했다.

게르마늄(Ge)은 기존 전극 소재인 흑연(C)보다 많은 양의 리튬을 저장할 수 있어 차세대 리튬이온전지 전극 소재로 주목받았지만 충방전 때 급격한 부피변화를 일으켜 반복 사용 시 성능이 떨어지는 단점이 있었다.

박 교수팀은 합성과정 중에 액체에 고체가 녹아있는 졸(Sol) 상태를 거쳐서 용액이 응고된 겔(Gel) 상태를 지난 후 원하는 나노분말 등을 얻는 ‘졸겔법’을 이용해 이산화게르마늄(GeO₂) 나노입자를 만들고 이를 고분자물질(PVP)과 혼합, 열분해 및 환원 과정을 거쳐 독창적인 구조의 이차전지 음극소재를 만들었다.

게르마늄 음극소재는 탄소가 나노 게르마늄 입자를 감싸고 있고 동시에 현무암과 유사한 3차원 다공성 구조로 돼 있어 반복적으로 충방전을 할 때 부피팽창을 완화하는 역할을 하게 된다.

이 음극소재를 리튬이온에 적용한 결과 저장용량이 흑연의 4배 이상으로 증가하고 고속으로 1천회 충방전해도 초기 용량의 89%가 유지돼 성능 저하가 거의 없는 것으로 확인됐다. 또 이 음극소재는 최고 속도로 3초 만에 완전 방전시켜도 흑연의 최고 용량보다 120% 높은 방전 용량을 기록했다.

박 교수팀은 이 기술은 저가의 원료물질을 사용하고 간단한 열처리 공정만으로 3차원 나노 다공성 구조의 게르마늄-탄소 복합체를 제조할 수 있어 소재의 양산 가능성도 크다고 밝혔다.

박 교수는 “3차원 나노당공성 구조의 게르마늄 전극은 고용량에 수명이 길고 출력특성이 뛰어나다”며 “향후 전기자동차의 고성능화와 보급화에 기여하는 것은 물론 모바일기기, 의료기기, 군용기기, 대용량 에너지 저장 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다.

/박은성 기자 pes@kjdaily.com