국내 연구진이 DNA와 탄소나노튜브를 활용한 ‘리튬 과잉 양극소재’ 표면 안정화에 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 에너지저장연구단 정경윤 단장, 장원영 박사 연구팀이 울산과학기술원(UNIST) 이상영 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해, 연어의 DNA를 활용, 리튬 과잉 양극 소재(Over-Lithiated Oxide, OLO)의 표면을 안정화시켜 고성능 양극 소재를 개발했다고 밝혔다.

리튬이온전지는 이차전지의 일종으로, 충전 과정에서 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동하여 저장된다. 이 양극에 저장할 수 있는 리튬이온이 많을수록 전지의 용량은 향상된다. 즉, 고용량의 양극 소재 개발은 리튬이온전지 용량증대의 핵심이다.

리튬 과잉 양극 소재(OLO)는 이론용량이 250mAh/g(기존 상용화 소재 160mAh/g)으로 에너지 저장용량을 50% 이상 상승시킬 수 있는 차세대 양극 소재로서 오랫동안 주목받아왔다. 하지만 충·방전 과정에서 리튬이 위치한 금속층이 붕괴되고 부풀어 올라 더 이상 사용할 수 없게 되는 문제가 있었다.

KIST 연구진은 투과전자현미경을 이용해 기존 OLO 소재의 표면과 내부의 결정구조 변화를 각각 위치별로 분석했다. 그 결과 전지 구동 후 전극의 표면에서부터 금속층 붕괴가 진행된다는 사실을 확인했다.

리튬이온과 친화력이 우수한 연어의 DNA를 탄소나노튜브와 합성, OLO 표면에 부착해 표면 구조를 제어한 양극 소재를 합성하는 모식도.

이에 공동 연구진은 리튬이온과 친화력이 우수한 연어의 DNA를 활용해 소재 붕괴의 원인인 표면 구조를 제어했다. 하지만 DNA는 수용액 내에서 거대하게 뭉쳐지는 문제가 있는데 탄소나노튜브(CNT)와 합성, 이를 극복하고 균일하게 배열, OLO 표면에 부착하여 새로운 양극 소재를 개발했다.

KIST 연구진은 통합 고도분석법(개별 입자에서부터 전극 범위까지 분석)으로 분석하여 OLO 소재의 전기화학적 특성 및 구조 안정성 향상의 메커니즘을 규명했다. 실시간 X-선 분석기법으로 충·방전이 진행되는 과정에서 전극 소재의 구조 붕괴가 억제됨을 확인, 구조 변화 분석을 통해 배터리가 과열되더라도 안정적임을 확인했다.

UNIST 이상영 교수는 “합성 소재에 기반한 기존 시도들과는 다른 개념인 생명체의 기본 물질인 DNA를 이용한 연구 결과”라고 말했다.

KIST 정경윤 단장은 “통합 고도분석법을 통하여 고에너지·안전성 양극 소재의 설계 인자를 제시했다는 것에 큰 의미가 있다”며 “연구 결과를 토대로 기존 상용화 양극 소재를 대체할 신규 소재 개발 연구에 더욱 박차를 가할 것”이라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업, 기초연구사업 및 웨어러블플랫폼소자기술센터사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 분야의 세계적 권위지인 ‘Advanced Energy Materials’ (IF:24.884, JCR 분야 상위 1.69%) 최신 호에 표지 논문(Front cover)으로 출판 게재(3월 3일, Volume 10. Issue 9)됐다.

* (논문명) Ecofriendly Chemical Activation of Overlithiated Layered Oxides by DNA-Wrapped Carbon Nanotubes

– (제 1저자) UNIST 김주명 박사(現 Pacific Northwest National Laboratory 박사후연구원)

– (제 1저자) KIST 박재호 석박사통합과정

– (제 1저자) KIST 조은미 박사과정

– (교신저자) UNIST 이상영 교수

– (교신저자) KIST 에너지저장연구단 정경윤 책임연구원

– (교신저자) KIST 에너지저장연구단 장원영 책임연구원