국내 연구진, 산화물 나노케이지 개발…차세대 고효율 배터리 개발 길 열어

갈바닉 교환 과정으로 생성된 나노케이지 이미지.

아주경제 이한선 기자= 국내 연구진이 최초로 복합산화물 나노케이지 기술을 개발해 차세대 고성능 배터리를 생산할 수 있는 가능성을 열었다.

미래창조과학부는 23일 서울대 화학생물공학부 중견 석좌교수이자 기초과학연구원 나노입자연구단 현택환 단장이 산화물 나노입자의 갈바닉 부식 작용을 규명했다고 밝혔다.

연구결과는 세계 최고 권위 학술지 사이언스 24일 본지에 게재됐다.

연구팀은 금속이 부식되면서 금속 나노재료의 성능을 개선하는 갈바닉 교환반응을 이용해 여러 가지 금속이 섞여 있으면서도 다공질인 나노케이지 형태의 독특한 구조를 만들 수 있었다.

산화망간 나노입자를 철 과염소산염 수용액과 반응시키면 우선 산화망간·산화철의 나노박스가 만들어졌고 철 과염소산염 농도를 높이는 데 따라 망간이 점점 녹으면서 가운데에 구멍이 생기는 산화철 나노케이지가 생성됐다.

그동안 단일 금속에 대한 나노케이지 형성에 대한 연구는 있어 왔으나 서로 다른 성분을 조절하면서 복합 산화물 나노케이지를 만드는 방법을 규명한 것은 처음이다.

이 기술을 배터리에 적용할 경우 성분을 조정해 전압을 바꿀 수가 있는 등 나노케이지의 물성을 변경하는 것이 가능해진다.

나노케이지의 속이 빈 구조는 표면적이 넓어져 더 많은 공간을 확보하게 하고 물질의 이동을 원활하게 해 촉매 활성이 뛰어나고 약물전달체로 효과가 높을 것으로 예상된다.

리튬이온전지 실험에서 산화철과 산화망간 이종접합 나노구조는 음극으로 사용하였을 때 흑연을 음극으로 사용 것보다 최대 3배의 높은 용량을 보였고 수많은 충·방전 이후에도 성능저하가 거의 없었다.

연구 결과는 망간과 철 산화물 나노입자뿐 아니라 코발트와 주석 산화물, 망간과 주석 산화물 등 다금속 및 다공성 금속산화물 나노입자의 제조에 광범위하게 적용할 수 있다는 것도 규명했다.

이번 연구는 의약품과 MRI 조영제 등 생의학 분야 발전에도 기여할 것으로 기대되고 있다.

현택환 단장은 "배터리에 실제로 적용하기에는 현재 음극에 주로 쓰이는 흑연보다 안정성이 크게 떨어져 상용화에는 시간이 걸릴 것으로 예상하고 있다"며 "복합산화물 나노케이지는 속이 빈 나노구조로 속을 채울 수 있어 약물제로 쓰이거나 표면적이 커져 촉매 분야에서 활용할 수 있는 등 무궁무진한 가능성을 열어 주는 기술"이라고 밝혔다.