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"'분자 도르래 구조' 응용해 이차전지 성능 획기적 개선"

KAIST 최장욱·알리 교수팀 '사이언스' 논문 발표

(서울=연합뉴스) 임화섭 기자 = '분자 도르래'라는 특수한 구조를 가진 물질을 이용해 이차전지(충전과 방전을 반복하며 사용할 수 있는 전지)의 성능과 수명을 획기적으로 늘리는 기술이 개발됐다.

한국과학기술원(KAIST) 에너지·환경·물·지속가능성(EEWS) 대학원의 최장욱, 코스콘 알리 교수가 이끄는 연구팀은 이런 내용을 담은 논문을 21일 과학 학술지 '사이언스'에 발표했다.

이 연구는 미래창조과학부 기초연구지원사업(개인연구)의 지원으로 수행됐다.

현재 상용화된 리튬이온 이차전지의 음극에는 흑연이 사용되지만, 최근에는 흑연 대신 실리콘 소재 음극을 사용하는 방안이 세계 곳곳에서 연구되고 있다. 배터리 용량을 5배로 늘릴 잠재력이 있기 때문이다.

그러나 실리콘 소재 음극은 충·방전 과정에서 300∼400%에 이르는 부피 변화가 되풀이돼 충·방전 사이클을 불과 수십 회밖에 견디지 못하고 쉽게 망가지는 단점이 있다. 이는 약 500회 충·방전을 견딜 수 있는 상용 리튬이온 이차전지보다 내구성이 현격히 떨어지는 것이다.

연구팀은 이런 단점을 해결하기 위해 지난해 노벨화학상을 공동으로 수상한 장 피에르 소바주(프랑스 스트라스부르대 명예교수), 프레이저 스토더트(74·미국 노스웨스턴대 교수), 베르나르트 페링하(65·네덜란드 흐로닝언대 교수) 등이 연구한 '분자 도르래' 구조를 활용했다.

탄성을 지닌 '분자 도르래' 구조 설명 그림
탄성을 지닌 '분자 도르래' 구조 설명 그림[KAIST 제공=연합뉴스]

분자 도르래는 고분자 사슬에 고리가 들어간 분자구조로, 고리의 움직임이 자유롭다.

연구진은 이를 이용해 탄성이 뛰어난 분자 도르래 구조를 만들고, 이 탄성을 이용해 실리콘 미세입자를 안정적으로 '잡아 두도록' 했다.

이런 방식으로 전극에 포함된 실리콘 미세입자가 팽창과 수축이 500회 이상 반복되더라도 떨어져 나가거나 부서지지 않도록 만들었다. 또 이 과정을 거치더라도 전극 용량이 상용 수준을 유지하는 점도 확인했다.

분자 도르래를 이용한 바인더와 기존 바인더의 작동 원리
분자 도르래를 이용한 바인더와 기존 바인더의 작동 원리[KAIST 제공=연합뉴스]

스토더트 교수의 제자인 최 교수는 "이 연구는 지난해 노벨화학상 수상자들의 업적인 분자 도르래 구조가 고용량 이차전지 소재 개발에 최초로 적용된 사례"라며 이번 연구가 앞으로 전기자동차용 이차전지의 핵심 전극 기술로 적용될 수 있으리라는 기대를 밝혔다.

그는 자신의 공동 지도교수 중 한 명이었던 스토더트 교수가 이번 연구에 관한 얘기를 듣고는 "평생 연구했던 내용이 생각하지도 못한 응용에 유용하게 쓰여서 놀랍다"고 평가했다고 전했다.

solatido@yna.co.kr

<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지>2017/07/21 03:00 송고

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