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차세대 이차 전지용 '게르마늄 황화물' 전극 개발

KAIST 김도경 연구팀 성과…전기화학 구동원리도 밝혀

게르마늄 황화물 전극 구조와 수명 안정성. 게르마늄 황화물·그래핀 복합체 미세구조와 수명 특성을 보여준다. 100회가 넘는 충·방전에도 전지 용량은 안정적으로 유지했다. [한국연구재단 제공=연합뉴스]

(대전=연합뉴스) 이재림 기자 = 한국연구재단은 김도경 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 교수 연구팀이 차세대 나트륨 이차 전지용 게르마늄 황화물 전극을 개발했다고 12일 밝혔다.

나트륨 이차전지는 리튬 이차전지를 대체할 차세대 에너지 저장장치로 주목받는다.

원료를 상대적으로 저렴하게 구할 수 있는 데다 우수한 안정성까지 갖춰서다.

다만 아직 성능상 제약이 있다.

리튬 이차전지 음극으로 쓰이는 흑연·고용량 실리콘·전이금속 산화물 등을 나트륨 이차전지에 적용하면 충·방전 속도가 느려지거나, 부피가 팽창하는 문제가 발생한다.

연구팀은 그래핀에 게르마늄 황화물이 균일하게 분포된 나노 전극을 구현해 한계를 극복했다.

개발한 전극은 전기전도도가 높으면서도 이론값을 뛰어넘는 우수한 초기 용량(805㎃h/g)과 수명 안정성을 보였다.

게르마늄 황화물·그래핀 복합체는 충·방전 시에도 높은 전기전도도를 가진다. 부피팽창을 막아주는 안정적인 공간 제어 능력도 갖췄다. 게르마늄의 비정질화 영향으로, 이론값을 넘어서는 뛰어난 초기 용량을 구현하는 데에도 성공했다. [한국연구재단 제공=연합뉴스]

전기화학 구동원리에 대한 이론도 제시했다.

게르마늄 황화물 전극 성능이 우수한 것은 원자 배열 상태 영향 때문이라고 연구팀은 전했다.

반응 중 액체처럼 원자 배열이 불규칙한 비정질 상태로 유도되는데, 이로 인해 나트륨 이온 수용량이 증대했다는 설명이다.

김도경 교수는 "나트륨 이차전지 음극 소재 취약점을 보완하는 기초자료로 활용할 수 있다"며 "나노 전극 소재 합성과 전극 및 이차전지 충·방전 후 성능 분석법 등은 에너지 분야 중추적인 기술이 될 것"이라고 말했다.

연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기초연구사업(중견연구) 지원으로 수행했다.

성과를 담은 논문은 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈'(Advanced Energy Materials) 6월 25일 자에 실렸다.

walden@yna.co.kr

<저작권자(c) 연합뉴스, 무단 전재-재배포 금지>2018/07/12 12:00 송고

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