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- 리튬 이온 배터리는 현재 휴대용 에너지 저장 장치의 표준이자 필수적인 요소.
- 이러한 배터리에는 리튬, 코발트, 니켈과 같은 원자재가 포함돼, 이 원자재의 매장량은 제한적이거나 채굴 과정에서 심각한 환경 오염 유발
- 산화철로 채워진 탄소 구형 입자가 리튬 이온 배터리 성능을 향상시킬 수 있다.

속이 빈 구형 입자와 녹으로 만든 배터리 전극
산화철로 채워진 탄소 구형 입자가 리튬 이온 배터리 성능을 향상시킬 수 있다.

배터리 최적화:
새로운 유형의 전극은 리튬 이온 배터리를 더 저렴하고 친환경적이며 핵심 원자재에 대한 의존도를 낮출 수 있다. 이는 기공 내부에 산화철(녹)이 채워진 속이 빈 탄소 구형 입자로 이루어진 젤을 통해 가능해진다. 이 녹으로 이루어진 구형 젤은 전기화학적으로 리튬 이온을 저장하고 방출할 수 있다. 연구진에 따르면, 초기 실험에서 이 녹 양극은 이미 높은 용량과 우수한 내구성을 보였다. 

▲ 철 입자를 포함하는 다공성 속이 빈 탄소 구체는 리튬 이온 배터리의 자원 효율성을 높이고 환경 친화성을 향상시킬 수 있다. © Borhani et al./ Chemistry of Materials, CC-by 4.0

리튬 이온 배터리는 현재 휴대용 에너지 저장 장치의 표준이자 필수적인 요소이다. 그러나 이러한 배터리에는 리튬, 코발트, 니켈과 같은 원자재가 포함되어 있는데, 이러한 원자재의 매장량은 제한적이거나 채굴 과정에서 심각한 환경 오염을 유발한다. 또한 배터리 전극에는 종종 유독성 용매가 사용된다. 따라서 과학자들은 오랫동안 이러한 원자재를 대체할 수 있는 대안, 예를 들어 다른 전극 재료를 연구해 왔다.

탄소 속이 빈 구형체를 전극 소재로 활용

잘츠부르크 대학교의 사이드 보르하니(Saheed Borhani)와 그의 동료들은 이러한 대안을 발견했다. 그들은 미세한 탄소 속이 빈 구형체를 기반으로 한 전극 소재를 개발했다. 연구팀은 "탄소 기반 소재는 리튬 이온 배터리 전극 소재로 유망한 후보로 입증되었다. 탄소는 풍부하고 화학적으로 안정적이며 다양한 구조적 특성을 제공한다"고 설명했다.

▲ 철이 함유된 탄소 구형 겔의 합성 절차에 대한 개략도. (출처:January 29, 2026 / Iron-Loaded Carbon Spherogels as Sustainacations)ble Electrode Materials for High-Performance Lithium-Ion Batteries / ACS Publi

특히 탄소 속이 빈 구형체는 흥미로운 소재로 밝혀졌다. 자를란트 대학교의 수석 저자인 스테파니 아놀드(Stefanie Arnold)는 "잘츠부르크는 모차르트 쿠겔(Kugel)로 유명하다. 탄소 속이 빈 구형체는 속이 채워진 이 초콜릿 공과 유사하다고 생각할 수 있다"고 설명했다. 이러한 구형체의 빈공간과 다공성 벽 구조는 다른 원자나 분자를 수용하기에 적합하다. 아놀드 교수는 "하지만 화학 합성을 통해 적절한 금속 산화물을 빈 공간에 도입하는 것이 관건이다"고 덧붙였다.

(출처:January 29, 2026 / Iron-Loaded Carbon Spherogels as Sustainacations)ble Electrode Materials for High-Performance Lithium-Ion Batteries / ACS Publi)

철 입자가 스페로겔(Spherogel)을 배터리 구성 요소로 변환

연구진은 속이 빈 구형 전극을 만들기 위해 탄소 구체로 스페로겔을 제작했다. 스페로겔은 각각 약 170nm(나노미터) 크기의 속이 빈 구체들이 서로 연결된 다공성 덩어리다. 연구팀은 젖산철을 기반으로 한 합성법을 사용해 이 탄소 구체에 철 나노입자를 담지했다. 아놀드 연구원은 "철은 전 세계적으로 풍부하고, (적어도 이론적으로는) 저장 용량이 높으며, 재활용이 용이하다는 장점이 있다"고 설명했다.

▲ (A) CS_Fe_Low, (B) CS_Fe_Med, (C) CS_Fe_High의 주사 전자 현미경 사진. (D) CS_Fe_Low, (E) CS_Fe_Med, (F) CS_Fe_High의 주사 투과 전자 현미경 사진. (출처:January 29, 2026 / Iron-Loaded Carbon Spherogels as Sustainacations)ble Electrode Materials for High-Performance Lithium-Ion Batteries / ACS Publi)

연구진은 이 철 함유 스페로겔이 전기화학적 테스트를 통해 실제 배터리 음극으로도 적합한지 조사했다. 연구팀은 철 함량이 다른 속이 빈 탄소 구체를 사용했다. 보르하니 연구원과 동료 연구진은 "그램당 최대 1,190mAh/g(밀리암페어시 프로그램)의 높은 비용량과 300회 충방전 주기 동안 99% 이상의 쿨롱 효율을 유지하는 높은 사이클 안정성을 관찰했다"라고 보고했다. 중간 정도의 철 함량을 가진 속이 빈 구체가 가장 우수한 성능을 보였다.

충전 중 용량 증가

"흥미로운 점은 전기화학적 과정을 통해 저장 용량이 지속적으로 증가한다는 것이었다. 배터리를 오래 사용할수록 성능이 향상되었다"고 아놀드 연구원은 설명했다. "이는 금속 철(FeO)이 먼저 산소와 반응하여 산화철을 형성하고, 이 과정에서 활성화되어 팽창하기 때문이다. 약 300회 충방전 후에야 산화철이 탄소 구체의 모든 빈 공간을 채우고 최대 저장 용량에 도달한다.“

▲ (A) 스퍼터링 후 CS_Fe_Med_파우더, (B) 스퍼터링 후 CS_Fe_Med_프리스틴 전극, (C) 스퍼터링 후 CS_Fe_Med_사후 처리된 전극의 X선 광전자 스펙트럼 Fe 2p3/2 스캔 결과. (D) Fe 2p에서의 결합 백분율을 그래프로 나타낸 그림. (E) LIB 하프셀에서 해당 물질의 작용 메커니즘에 대한 개략도. (출처:January 29, 2026 / Iron-Loaded Carbon Spherogels as Sustainacations)ble Electrode Materials for High-Performance Lithium-Ion Batteries / ACS Publi)

하지만 연구팀은 이러한 구형 겔 전극을 사용하는 배터리가 최대 저장 용량에 더 빨리 도달하려면 활성화 과정을 가속화해야 한다고 지적한다. 또한, 이 음극을 사용하는 완전한 배터리에 적합한 상대 전극 개발도 필요하다. 따라서 녹-탄소 전극을 산업 규모로 사용하기 위해서는 추가 연구가 필요하다.

코발트 및 니켈이 없는 전극 대안

그럼에도 불구하고 연구진은 이 접근 방식에 큰 잠재력이 있다고 보고 있다. "이번 연구 결과는 철이 함유된 탄소 구형 겔이 리튬 이온 배터리용 지속 가능하고 고성능 전극으로 활용될 수 있음을 보여준다"고 보르하니와 그의 동료들은 밝혔다. "이 소재는 코발트와 니켈을 사용하지 않는 대안으로, 전극 팽창이나 용량 감소와 같은 문제를 방지할 수 있다."

참고: Chemistry of Materials, 2026; doi: 10.1021/acs.chemmater.5c02442
출처: 자를란트 대학교 / Universität des Saarlandes

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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