나노기술 및 정책 정보

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● 한국표준과학연구원(KRISS) 소재융합측정연구소의 권지환 선임연구원과 건국대학교 김연호 교수의 공동연구팀이 리튬 이온 전지의 초기 쿨롱 효율과 용량을 향상시키는 산화철 나노구조체를 개발

● 산화철은 지구에 풍부하게 존재하며, 독성이 적고 화학적으로도 매우 안정된 물질이기 때문에 리튬 이온 전지 소재로 다양한 연구가 진행되고 있지만, 낮은 리튬 이동도, 큰 부피 변화, 낮은 초기 쿨롱 효율 등의 단점으로 실제 개발은 매우 제한적이었던 상황

● 이에 연구팀은 기존 산화철 리튬 이온 전지의 단점인 낮은 쿨롱 효율을 극복할 방법을 개발

● 연구팀은 산화철에서 리튬 이온의 이동을 향상할 수 있도록 메조다공성(mesoporous)의 형상으로 소재를 제조하였으며, 산화철 내부에서도 리튬이 잘 이동할 수 있도록 기공을 일렬로 정렬시켜 나노 터널을 제작

● 해당 나노 터널과 표면의 많은 기공을 통해 리튬 이온이 쉽게 이동할 수 있어 기존 리튬이온 전지보다 월등히 향상된 전기화학적 특성을 보유

● 해당 소재의 테스트 결과, 초기 쿨롱 효율은 약 85.4%에 이르며 이는 지금까지 발표된 산화철 중에서 가장 높음.

● 특히, 연구팀은 투과전자현미경과 포항가속기를 활용해 리튬 이온 전지의 충·방전에 따른 소재의 미세구조 변화를 면밀하게 분석하였으며, 초기 충·방전 과정에서 형성된 특정 구조가 전기화학반응에서 중요한 역할을 한다는 것을 규명

※ 용어설명

- 쿨롱 효율: 최근에 충전을 완료한 용량이 바로 그 전에 충전을 완료한 용량과 대비해 차지하는 비율

- 메조다공성(mesoporous) 물질: 지름 2~50nm(나노미터)의 기공을 내포하는 물질로 기공의 크기가 넓은 표면적을 가지면서도 입자 내의 물질 전달을 원활히 수행하여 연료전지 담지체로 사용됨.

※ ACS Sustainable Chemistry & Engineering 게재(2021.11.23.), “Reversible Conversion Reactions of Mesoporous Iron Oxide with High Initial Coulombic Efficiency for Lithium-Ion Batteries”

※ 한국표준과학연구원(KRISS) 첨단소재 측정플랫폼 기반 구축사업 지원