초록 ▼

본 연구는 최적의 충방전 용량과 전류밀도 특성 및 수명특성을 보여주고 있는 저차원 입자 형태의 나노입자 무기물질을 성공적으로 얻기 위해서, 미생물의 호흡작용 을 통한 나노선 및 나노튜브 형태의 나노무기물질을 중심으로 새로운 합성법을 개발하고, 이들의 최적인 합성조건, 합성 기구 및 전기화학적 특성을 규명하는데 중점을 두었다. 1) 다양한 박테리아를 이용하여 pH, 반응시간 등 합성조건을 달리하며, 최적의 1차원적인 나노전극물질을 얻고, 2) 박테리아를 이용한 합성 시 시간에 따라 발생되는 중간 생성체들의 구조를 실시간으로 분석함으로

본 연구는 최적의 충방전 용량과 전류밀도 특성 및 수명특성을 보여주고 있는 저차원 입자 형태의 나노입자 무기물질을 성공적으로 얻기 위해서, 미생물의 호흡작용 을 통한 나노선 및 나노튜브 형태의 나노무기물질을 중심으로 새로운 합성법을 개발하고, 이들의 최적인 합성조건, 합성 기구 및 전기화학적 특성을 규명하는데 중점을 두었다. 1) 다양한 박테리아를 이용하여 pH, 반응시간 등 합성조건을 달리하며, 최적의 1차원적인 나노전극물질을 얻고, 2) 박테리아를 이용한 합성 시 시간에 따라 발생되는 중간 생성체들의 구조를 실시간으로 분석함으로써 반응체계를 밝혀내고, 3) 최종적으로 얻어진 나노전극물질들의 충방전 특성, 전류밀도 특성 및 수명 특성을 향상시키며, 충방전 거동시 발생되는 물질의 구조변화를 실시간으로 구조분석함으로써 전기화학적 특성과 구조적인 상관관계를 밝혀내었다.

미생물의 호흡작용을 통한 자발적인 산화-환원반응을 통해 tellerium (Te), LiFePO4 및 AsS 계의 0-, 1- 및 2-차원적인 입자형태들의 이차전자 나노전극물질을 성공적으로 합성하여, 새로운 이차전지 나노전극 물질합성 방법의 영역을 확대시키고, 고용량 및 고 전류밀도 특성을 가지는 이차전지 전극물질을 개발하였다. 친환경적 미생물 호흡작용에 의한 에너지저장 나노전극물질의 성공적인 연구수행을 위해,저차원 입자형태의 나노물질 합성은 다음과 같은 실험방법 체계로 진행되었다. 1) 미생물 호흡작용을 통해 쉽게 산화 혹은 환원될 수 있는 출발물질 및 최적합성조건, 2) 합성물질의 분자구조, 입자형태 및 크기를 자유롭게 제어할 수 있는 최적의 박테리아 선택 및 3) 나노선 및 나노튜브 형태 나노전극물질의 두께와 직경을 조절할 수 있는 합성조건을 찾는데 있어서 이론적, 실험적인 결정요소를 찾는데 집중한다.또한, 저차원적인 입자형태를 이루고 있는 나노전극활물질의 경우, 표면개질의 향상이 매우 중요하기에 박테리아 호흡작용을 통해 형성된 나노선/나노튜브 형의 전극물질에 대해 이에 대한 연구를 함께 수행하였다. 박테리아 호흡작용시 나노전극물질의 합성 체계 규명 및 전기화학적 충방전 거동시 발생되는 나노전극물질의 실시간 구조분석을 통해 보다 더 향상된 전기화학적 특성을 가지는 나노전극물질의 가능성을 타진하였고, 박테리아 호흡작용시 부산물인 폴리 하이드로 카보네이트 체인 표면에 동시 발생되는 출발물질의 환원 혹은 산화반응을 통한 저차원 나노전극물질의 합성메카니즘을 규명하고자 한다. 이에 대한 결과로 부터 반응 메카니즘을 규명함으로써, 다양한 입자형태의 나노물질을 합성할 수 있는 기본체계를 제시하였다. 또한 본 연구에서 개발할 양극과 음극 이차전지 나노전극물질에 대한 전기화학적 특성 평가는 매우 중요하였다. 전위, 용량 및 싸이클 수명 등 전기화학적 특성은 양극과 음극을 구성하는 물질의 원소와 Li 이온의 충방전 거동에 따른 전극물질의 구조적인 안정성에 대한 평가를 통해 규명될 수 있고, 이러한 구조적인 평가는 새로운 고성능 전극물질의 개발에 있어 필수요소이다. 이는 이차전지의 고전위, 고용량의 실현이 물질의 구조를 원천적으로 밝힐 수 있어야만 가능하기 때문이다. 더 나아가, 박테리아 생체활동으로 얻어진 양극과 음극 나노전극물질에 대해 분광학적인 in-situ electrochemical cell을 구성하여, Li 이온의 충방전 거동에 따른 각 원자들의 구조를 분석하여, 전기화학적 특성을 각 물질을 구성하고 있는 구정원자의 입장에서 구조적인 측면에서 규명하였다.

현 에너지 저장물질에 대한 연구에 있어서, 리튬이온 전지의 성능을 좌우하는 가장 큰 요소는 충방전 시리튬이온이 삽입과 탈착이 되는 전극물질의 용량 증대 보다는, 얼마나 빠르게 리튬을 충방전할 수 있는 능력에 있다. 이에 대한 요구로 전극물질의 입자형태에 대한 중요성이 대두되고 있고, 이에 대한 구조틀을 이용한 화학적 합성에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 다만 구조틀을 이용한 화학적 합성의 경우,대용량 합성으로의 요구를 만족시키지 못함으로써 현재 정체되어 가고 있는 고효율 전극물질 개발 분야에 새로운 합성법이 절실히 필요한 시점이다. 본 연구진이 제안한 미생물을 이용한 나노전극물질 개발의 연구전략은 이차전지 전극물질 개발 분야에 국내외적으로 거의 시도된 바 없는 것으로써, 이들은 기존 전극물질과는 차별화되는 독특한 전극특성을 가질 것으로 예측되므로 얻어진 연구결과로부터 최정상급의 학술지에 논문 발표와 지적 재산권 확보 등 국제적으로도 매우 주목받는 성과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 박테리아라는 미생물의 호흡작용을 바탕으로 자발적이고, 친환경적인 에너지저장용 저차원 나노전극물질의 합성 기술은 차세대 리튬이차전지용 전극 물질 개발에 있어 새로운 방향을 제시하는 것으로 국내외에 걸쳐 큰 주목과 반향을 얻을 수 있을 것으로 기대한다.