우리대학 화공생명공학부 최유정 학생(지도교수 류원희; 화공생명공학부 17)이 프러시안 블루(Prussian Blue) 유사체와 폴리도파민을 이용하여 다중 카본 쉘을 갖는 (Ni/Co)₃N 다중핵 구조의 고성능 리튬이차전지용 음극 소재를 개발하여 학계에 보고하였다. 해당 연구는 한국전자기술연구원, 성균관대학교와 공동으로 수행했으며, 결과는 화학공학 분야 상위 2.5% 이내 국제 SCI 저널인 Chemical Engineering Journal (IF: 10.652, Q1)에 4월 7일 자로 온라인 출판됐다.

(논문명: Rational Design and In-situ Formation of Nickel–Cobalt Nitride Multi-core/Hollow N-doped Carbon Shell Anode for Li-ion Batteries)

휴대용 전자기기와 전기차 시장이 성장하면서 고용량, 고에너지밀도, 고출력 특성을 갖는 리튬이차전지 소재 개발에 대한 수요가 증가하고 있다. 현재 리튬이차전지용 음극 소재로 가장 많이 사용되고 있는 물질인 흑연은 제한적인 이론 용량(~372mAh g^-1)을 가진다는 한계점이 있다. 이를 극복하기 위해 다양한 음극 소재들이 개발되고 있으며 최근에는 기존의 삽입/탈리반응이 아닌 전환 반응을 기반으로 한 다양한 전이금속질화물(M₃N)들이 흑연을 대체할 고용량 소재로 주목받고 있다.

본 연구팀은 프러시안블루 유사체에 폴리도파민을 코팅한 전구체를 환원 분위기에서 열처리 과정을 거쳐 질소가 도핑된 탄소 껍질 속에 (Ni/Co)₃N 다중핵을 포함하는 새로운 구조의 전환 반응 음극 소재를 구현하였다. 질소가 도핑된 탄소 껍질은 방전/충전 반응이 일어나는 동안 발생하는 큰 부피 변화 및 기계적인 응력을 완화할 뿐만 아니라 전기전도도를 크게 향상할 수 있다. 니켈, 코발트 질화물은 전환 반응을 통해 기존 흑연 전극 대비 용량을 크게 향상시켰으며 긴 수명 동안 용량이 떨어지지 않는 우수한 사이클 특성을 보였다. 

본 연구의 제1저자로 참여한 최유정 학생은 “학부생으로서 연구에 참여하고 좋은 성과를 얻을 수 있어서 영광이었다"라며, "이번 연구를 바탕으로 기존 리튬이차전지 소재들의 한계점을 극복할 수 있는 새로운 소재개발 연구를 진행해보고 싶다. 지도해주신 류원희 교수님께 진심으로 감사드린다.”라고 소감을 전했다.