풀러렌, 흑연 자리 차지할 수 있을까?
순수 결정질 풀러렌 기반 리튬이온 이차전지 개발
흑연 음극재 대비 고용량과 장수명 성능 보여
□ 순수한 결정질의 풀러렌 나노입자가 소개되었다. 탄소 원자 60개가 축구공 모양으로 모인 풀러렌은 리튬이온 이차전지 소재로의 응용을 위해 많은 연구가 진행되었다. 하지만 기존 합성법으로는 비정질 형태로 크기도 불균일한 풀러렌에 만족해야 했다.
※ C60 (풀러렌, fullerene) : 탄소(C) 원자가 60개로 오각형 12개 육각형 20개로 연결된 축구공 모양의 매우 안정한 분자로 탄소 동소체 중의 하나임.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 조채용 교수(부산대학교) 연구팀이 새로운 열증발-냉각법을 개발하여 수백 나노미터 크기의 균일하고 순수한 풀러렌 결정질 나노입자를 얻는데 성공했다고 밝혔다.
□ 나아가 이렇게 얻은 결정질 나노입자를 기존 리튬이온 이차전지 음극소재인 흑연과 비교해 비용량이 2배 이상 높았으며 1,000회 이상 충·방전 했을 때 탁월한 안정성을 보였다.
※ 이론 비용량 (theoretical specific capacity) : 전지의 전극소재가 이론적으로 가질 수 있는 전자수로 단위질량당 또는 단위부피당 전하의 양을 의미하며 단위는 각각 mAh/g과 mAh/cm3이다. (예) 흑연 (372 mAh/g), 그래핀 (744 mAh/g), Si(Li4.4Si, 4200 mAh/g) 등
□ 연구팀은 최초로 합성한 면심입방(face-centered cubic, fcc) 구조의 순수한 풀러렌 나노입자는 이론적으로 예측된 것(12개)보다 훨씬 많은 리튬이온(최대 21개)을 저장할 수 있음을 실험적으로 확인하였다.
○ 실험 결과를 바탕으로, 풀러렌 분자로 구성된 면심입방 구조에서 추가로 리튬이 들어갈 가능한 공간을 계산하였다.
※ 면심입방구조(face-centered cubic, fcc) : 정육면체 각 모서리에 8개와 각 면의 중심에 6개의 원자 또는 분자로 구성된 결정구조의 형태
□ 기존에도 풀러렌에 여러 기능성 그룹을 결합하거나 구조를 변형시켜 용량을 높이려는 시도는 있었으나 이번 연구결과는 순수한 풀러렌을 결정화하여 얻은 것으로 차별화된다.
□ 연구팀은 흑연 대신 풀러렌을 음극으로 적용할 경우 리튬이온 이차전지에서 높은 에너지 밀도와 장기 안정성을 유지할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
□ 충·방전 과정 동안 풀러렌 결정 내 리튬이온의 증감에 따른 구조 변화를 동시 X-선 회절분석기(in-situ XRD)와 비동시 투과전자현미경(ex-situ TEM)을 통해 확인하였다.
○ 또한 연구팀은 리튬이온 증가에 따른 풀러렌 결정구조 변화를 이론적으로 시뮬레이션하는 연구를 지속할 계획이다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구과제 및 기초연구실사업의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 재료분야 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 10월 28일자로 출판 (Back Cover 선정) 되었다.
