미생물 활용, 리튬이온 이차전지 전극물질 제조 가능성 확인

GIST 허호길 교수팀, 국제학술지 표지 논문으로 게재

(광주=연합뉴스) 김재선 기자 = 광주과학기술원(GIST)은 허호길 지구환경공학부 교수와 포항방사광가속기연구소의 김민규 박사가 '슈와넬라(Shewanella sp. HN-41)'라고 불리는 미생물을 활용해 리튬이온 이차전지의 전극 물질을 만드는 데 활용할 수 있음을 확인했다고 24일 밝혔다.

연구팀이 해남의 공룡 발자국 퇴적층에서 발견한 슈와넬라 미생물은 과거 사약으로도 사용될 정도의 독성이 높은 비소를 황화비소라는 노란색 침전물로 전환할 수 있다.

허호길 교수. [광주과기원 제공=연합뉴스]

침전된 물질은 수 마이크로미터 길이의 나노 튜브 성상의 독특한 모양을 하고 있으며, 산업에 활용될 수 있는 반도체 특성을 보이는 것으로 확인됐다.

일반적으로 나노물질을 합성하려면 높은 온도나 특수 장비들이 필요하지만, 미생물을 이용하면 우리가 살 수 있는 상온에서 저비용에 친환경적 과정을 거쳐 손쉽게 나노물질을 대용량으로 생성할 수 있어 주목받고 있다.

연구팀은 이전에 보고된 미생물로 만든 황화비소 나노물질의 독특한 구조적 특징에 주목해 리튬이온전지 물질로의 활용성에 대해 연구를 하게 됐다.

현재 리튬이온 이차전지의 음극 물질로 사용되고 있는 흑연은 탄소로 이뤄진 층상구조에 리튬이온이 저장되는 구조이다.

이와 유사하게 미생물이 만든 물질인 황화비소(Realgar, As4S4)는 비소 원자 4개와 황 원자 4개가 결합한 새장 모양(Cage-like)의 분자들로 구성되어 있다.

독립된 분자들 사이에 느슨하게 서로 결합한 공간에 리튬이온이 자유롭게 끼어들어 황과의 결합을 통해 저장될 수 있음을 확인했다.

연구팀은 포항방사광가속기 연구소에서 실시간 구조분석을 통해 황화비소 나노물질이 리튬이온과 반응하는 메커니즘을 규명했다.

특히 독립적으로 존재하는 분자들이 하나의 최소 단일 전극 물질인 황화비소의 독특한 구조적 특징으로 인해 리튬이온의 연속적인 탈착 과정 중에도 안정적인 분자구조를 유지할 수 있음을 확인했다.

이는 리튬이온 이차전지에서 부피 팽창으로 물질들이 산산이 부서지면서 전극에서 떨어져서 발생하는 배터리 수명 감소 등 구조적인 문제점을 해결할 수 있는 새로운 아이디어를 제공할 수 있음을 의미한다.

허호길 교수가 주도하고 김민규(공동 교신저자) 박사와 김태양(제1저자) 박사과정생이 수행한 이번 연구결과는 국제적인 학술지인 '어드밴스드 서스테인어블 시스템즈'(Advanced Sustainable Systems) 2017년 7월 10일 표지 논문(Cover Picture)으로 온라인에 게재됐다.

kjsun@yna.co.kr

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