해당 연구는 Energy and Environmental Materials와 Journal of Energy Storage에 각각 게재됐으며, 석사 과정 학생인 홍세화, 김시완, 김민선, 배송의 학생들이 제1 저자로 참여했다.

◼ 수많은 미니탄소나노파이버가 임플란트된 탄소 소재 개발

(Energy and Environmental Materials, IF 13.0)
논문 제목 : Electrospun Carbon Nanofibers with Numerous Miniature Carbon Nanofibers for Free-Standing, Binder/Conductive Additive-Free Lithium-Ion Battery Anodes.

첫 번째 연구에서는 탄소나노파이버(CNF) 합성 과정에서 알칼리 금속 촉매를 파이버 내부에 주입해 수많은 미니나노탄소파이버가 성장하는 새로운 형태의 탄소소재를 개발했다.

이 소재는 바인더, 집전체, 도전재 없이 단일 소재로 전극을 구성할 수 있으며, 높은 전기 전도도와 효율적인 이온 및 전자 이동 경로를 제공한다. 특히 우수한 rate capability를 발휘하며, 고속 충·방전 조건에서도 안정적인 성능을 유지했다.

◼ 알칼리 금속 촉매를 활용한 탄소나노튜브 합성 및 도전재 성능 검증

(Journal of Energy Storage, IF 8.9)
논문 제목 : Cup-Stacked Carbon Nanotubes Synthesized with an Alkali Metal without Requiring a Catalyst Removal Process: Evaluation as a Conductive Additive for Lithium-Ion Batteries

두 번째 연구에서는 알칼리 금속 촉매를 활용해 탄소나노튜브(CNTs)를 합성하는 데 성공했다. 기존의 전이 금속을 활용한 방식과 달리, 알칼리 금속 촉매는 쉽게 제거할 수 있어 친환경적이고 비용 효율적인 공정을 제공한다.

합성된 탄소나노튜브는 리튬이온 배터리의 양극 도전재로 적용되어 우수한 전기화학 성능을 발휘했다. 특히 방전 용량과 속도 특성에서 기존 상용 탄소나노튜브 대비 높은 성능을 보였으며, 리튬 이온 이동 경로 최적화를 통해 전극 효율이 향상됐다.

한편 각각의 연구에서 촉매로 사용된 알칼리 금속은 제거 과정이 불필요하며, 오히려 이차전지에 활용될 경우 배터리의 쿨롱 효율을 향상시키는 데 기여할 수 있다.

또 리튬뿐만 아니라 나트륨, 포타슘 등 다양한 알칼리 금속을 활용해 합성할 수 있으므로, 리튬이온전지뿐만 아니라 나트륨 및 포타슘 이온 전지로의 확장이 기대된다.

개발된 소재는 이차전지 전극 소재는 다양한 전자소자로 활용될 수 있는데, 향후 가스 센서 및 연료전지 촉매 지지체 등으로도 확대 연구될 예정이다. 본 연구는 한국연구재단 중견연구과제의 지원을 통해 수행됐다.