<사진. 좌 : L- BIOX의 고배율 주사전자현미경 이미지, 우 : 0.5-3.0 V, 33.3 mA/g (0.05 C)에서 방전-충전 곡선. 삽화는 주기 수명 성능을 보여준다.
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

리튬 이온 배터리 양극 재료로 산화철 입자의 사용

일본 연구진은 전 세계에 서식하고 있는 수생 박테리아인 Leptothrix ochracea로 생성되는 비정질 Fe3+를 기반으로 하는 나노입자가 리튬 이온 배터리(lithium-ion battery)를 위한 Fe3+/Fe0의 전환 음극 재료(conversion anode material)로서의 가능성을 보여 주었다. 원래의 나노입자에 실리콘(silicon, Si)과 황(phosphorous, P)이 미량으로 존재하는 것은 Si, P-기반의 비정질 기질에 삽입된 Fe-기반의 전기화학적 중심(Fe-based electrochemical center)을 가진 특별한 전극 구조로 이어진다.

연구진은 상대적으로 높은 용량과 우수한 재순환성(cyclability)이 단순한 세척과 건조 단계에 의해 제조되어 이용되는 L-BIOX(L. ochracea’s biogeneous iron oxide, Leptothrix ochracea의 생물 기원 산화철)에서 확인됐다고 보고했다. 고체-전해질 계면의 형성으로 얻어지는 고유의 현상에 기인하는 ~1500 mAh/g의 최초의 방전에 대하여 비합리적으로 높은 용량을 나타낸 이후, 재료는 두 번째와 이어지는 주기에 대하여 아직까지 ~ 900 mAh/g의 높은 가역 용량으로 환원되기 시작했다.

1 C의 속도에서, ∼550 mAh/g의 용량은 50회의 주기에 걸쳐 유지됐다. 비록 전압 범위가 0.5?3.0 V로 제한된다고 하더라도, ∼600 mAh/g의 용량은 최소 50회의 순환에 걸쳐 유지됐다.

현재 연구에서 제안된 새로운 재료는 전 세계에 서식하는 수생 박테리아 종인 Leptothrix ochracea에 의해 생성된 철, 실리콘 및 인이 원자 단위로 혼합된 나노규모의 비정질 산화물 입자(amorphous oxide particle)이다. 초기 방전 공정에서 특별한 복합 재료가 Fe-기반의 활성 종이 비정질 Si, P-산화물 기질 사이에 삽입된 장소에서 형성됐다.

이 연구에서, 연구진은 황토가 자연적인 하천, 용수로(irrigation canals), 배수로 및 심지어 인근 해양 열수 분출공(ocean hydrothermal vents) 등에 침착된 것으로 규명될 수 있는 L-BIOX에 초점을 맞추었다. 일본 Joyo에서 수거된 물 정화 탱크로부터 얻어진 L-BIOX는 촉매지지, 세포 배양을 위한 전달자, 배터리 전극 및 염료 전구체 등을 포함하는 다수의 응용에 적용될 수 있는 가능성을 가진다.

L-BIOX 세관(tubule)은 ∼1 μm와 몇 센티미터까지 다양하게 길이를 변화시킬 수 있는 고정된 안지름(bore diameter)을 가진다. 구조는 나노미터의 산화물 입자는 박테리아의 유기 배설물(organic excrement)로 만들어진 세포 밖 미소관 형판(extracellular microtubular template) 위에 증착된다. 각 미소관의 외부 표면은 폭 ∼20 nm, 길이 50?100 nm의 섬유로 덮여 있는 반면, 내부 표면은 20?120 nm 크기의 소구체(globule)로 이루어진다. L-BIOX 세관은 프레임워크와 간격에 대하여 나노-미소-마이크로로 계층 구조를 이룬다. 세관의 표면적은 280 m2/g이다.

전극 구조의 최적화는 전극 재료 연구의 중요한 목표이다. 전도성 탄소 나노섬유와 같은 탄소 재료를 이용한 밀접한 교배(Intimate hybridization)는 Fe2O3의 성능을 개선하기 위하여 가장 일반적으로 측정됐다. 현재 나노미터 규모의 Fe-기반의 전기화학적 중심은 비정질에 가깝게 연결되어 있어서, 유연한 리튬-이동 네트워크의 구현이 가능하다. 유사한 복합 재료 구조가 Sn-기반의 전극 재료에 대하여 보고됐다. 연구진은 유리 같은 B3+-, P5+- 및 Al3+-산화물 기질에 주석 산화물 입자를 분산시킴으로써 재순환성을 비약적으로 개선하는 데 성공했다. L-BIOX가 자연적으로 이러한 종류의 유리한 복합 재료 구조를 제공하는 것이 흥미롭다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr