[ 시티저널 신유진 기자 ] 기초과학연구원 IBS '나노입자연구단'의 현택환 단장이 리튬이온배터리, 태양전지와 같은 에너지 소자의 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 '산화물 나노입자의 갈바닉 부식 작용기전'을 규명했다.

이 연구결과는 세계 최고 권위 학술지인 '사이언스 (Science)' 24일 본지에 '금속 산화물 나노입자에서의 갈바닉 교환반응'이란 제목으로 게재됐다.

연구단은 금속에만 적용되던 갈바닉(Galvanic) 부식원리를 금속산화물 나노입자에 역으로 적용해 리튬이온전지 음극의 용량을 최대 3배까지 향상시켰다.

연구단은 금속의 갈바닉 부식원리를 반대로 적용해 산화망간 나노입자와 철 과염소산염 수용액과의 반응으로 산화철·산화망간 이종접합구조인 나노박스(nanobox)가 생성됨을 확인했다.

철 과염소산염의 농도를 증가시킴에 따라 속이 텅 빈 산화철 나노새장(nanocage)으로 변환됨을 밝혀낸 것이다.

갈바닉 교환 갈바닉 교환은 환원전위가 낮은 금속이 환원전위가 높은 금속 이온을 만날 경우 환원전위가 낮은 금속은 산화·용해되고 환원전위가 높은 금속 이온은 환원돼 환원전위가 낮은 금속의 표면에 달라붙는 (침적)현상이다.

반응은 금속이 부식되는 작용기전 중 하나로, 금속 나노재료의 성능을 획기적으로 개선하는 쉽고 간단한 방법이다.

갈바닉 교환반응을 이용하면 여러 가지 금속이 섞여있으면서도 다공질인 독특한 구조를 만들 수 있고 이러한 구조는 촉매활성이 뛰어나고 약물전달체로서 유리하다.

연구단은 금속의 갈바닉 교환과정과는 반대로 금속산화물에 포함된 환위전위가 높은 금속 이온을 용해시키고, 환원전위가 낮은 금속 이온을 새로운 금속산화물로 침적시킴으로써 최초로 금속산화물 나노입자의 갈바닉 부식을 증명했다.

이렇게 생성된 나노박스와 나노새장의 속이 빈 구조는 더 많은 공간을 확보하게하고 다공성 구조는 물질의 이동을 원활하게 해줘 에너지 저장능력을 획기적으로 증가시키는 것으로 리튬이온전지 실험에서 확인됐다.

산화철과 산화망간 이종접합 나노구조 산화철과 산화망간 이종접합 나노구조는 800∼1100mAh/g(미리암페어아워/그램, 흑연 사용시 372mAh/g )의 용량을 보였으며 Mn1.1 Fe1.9 O4의 화학식(혼합비율)에서 가장 뛰어난 안정성을 보였다.

현택환 단장은 "전위 금속 산화물은 상용화된 흑연보다 이론적으로 큰 용량을 발현할 수 있어 차세대 음극 재료로 주목 받아 왔지만 배터리 충·방전 시 물질의 부피 변화가 커 장기적 성능 저하가 큰 문제였다"며 "이번에 규명된 금속 산화물에서의 갈바닉 반응을 리튬이온전지의 음극 물질에 적용해 작동전압을 쉽게 조절하며 용량 및 안정성을 증가시켰다"고 말했다.