산화물 나노입자의 갈바닉 부식 작용기전 규명
고효율 배터리 개발 가능성 열어

화학공학과 유태경 교수 연구팀이 '산화물 나노입자의 갈바닉 부식 작용기전’을 규명해 세계적 학술지 <사이언스(Science)>에 논문을 게재했다. 금속에서만 가능하다고 알려진 갈바닉 부식이 금속산화물에서도 가능하다는 사실이 최초로 발견 · 증명됨에 따라 이를 활용한 고효율 배터리 개발이 가능할 것으로 기대된다.

속이 빈 나노구조체로 리튬이온전지 단점 극복
갈바닉 부식은 이온화 경향이 큰 금속과 이온화 경향이 작은 금속이온을 용액 속에 같이 넣었을 때 일어나는 일종의 치환반응이다. 예를 들어 은 나노입자가 들어 있는 용액에 금 이온을 넣으면 이온화 경향이 큰 은 나노입자의 전자가 금 이온으로 이동하는데, 이때 금이 석출돼 은 입자 모서리에 달라붙고, 은 입자 가운데 부분은 이온화되면서 녹아 '속이 빈 나노구조체’가 형성된다.

유태경 교수는 금속에서의 갈바닉 부식 원리를 금속산화물에 반대로 적용, 산화망간을 산화철로 변환하는 데 성공했다. 금속과 달리 금속산화물에서는 전자를 잃고 얻는 산화 · 환원 반응이 반대로 일어난다는 점을 이용해 갈바닉 부식을 유도했다.

갈바닉 부식을 통해 만들어진 속이 빈 산화철 나노구조체는 물질의 이동을 원활하게 하고 수축과 팽창에 높은 안정성을 보여, 기존 리튬이온전지에 적용 시 획기적인 성능을 발휘하는 것으로 나타났다. 에너지 저장 용량을 최대 3배로 높였으며, 충전과 방전을 반복하면 성능이 저하되는 리튬이온전지의 단점도 극복했다.

유태경 교수는 "속이 빈 산화물 나노구조체는 저렴한 비용으로 간단하게 만들어낼 수 있어 산업에서 효율적으로 이용될 수 있다"면서 "산화물의 종류가 많은 만큼 앞으로 다양한 적용이 가능할 것"이라고 전했다. 이번 연구는 기초과학연구원(IBS) 현택환 나노입자연구단장 연구팀과 공동으로 진행됐다.

"과학자 · 공학자로서 국가에 도움 되도록 노력"
금속 나노입자를 이용한 고효율 촉매 개발 연구에 몰입해온 유태경 교수는 백금 나노입자를 눌린 모양으로 만들어 촉매 효율을 높인 연구로 독일화학회지에 논문을 게재하는 등 세계적으로 여러 논문을 발표해왔다. 금속만으로는 효율성에 한계가 있어 금속과 산화물을 합친 나노 복합체를 통한 하이브리드 촉매를 시도하기도 했으며, 연료전지 촉매물질인 백금의 사용량을 최대한 줄여 생산단가를 낮추기 위한 연구를 이어가고 있다. 유태경 교수는 "현재 사용되고 있는 리튬배터리는 이론적 한계치가 있다"며 향후 리튬을 대체할 다른 에너지 개발에 대한 의지도 밝혔다.

"과학은 새로운 것을 발견한 뒤 이를 증명해내는 것이며, 공학은 새롭게 발견한 것을 실생활에 유용하게 활용 되도록 하는 것"이라고 강조한 그는 "과학자, 공학자로서 가진 기술을 이용해 국가에 도움이 될 수 있도록 노력하겠다"고 말했다.