서강대학교는 화공생명공학과 류재건 교수 연구팀이 리튬이온전지 음극 소재인 게르마늄(Ge)의 미세구조를 정밀 제어할 수 있는 합성 전략을 제시했다고 23일 밝혔다. 제1저자는 이기정 석사과정생이다.

게르마늄은 실리콘보다 전기·이온 전도성이 뛰어나 차세대 고출력 음극 소재로 주목받지만 충·방전 과정에서 큰 부피 변화가 발생해 구조 안정성이 낮다는 한계가 있다. 연구팀은 이를 개선하기 위해 나트륨 수소화물(NaH)을 환원제로 사용하는 새로운 합성 방식을 도입했다.

산화 게르마늄 환원 과정에서 생성되는 수소와 금속 나트륨의 역할을 분석한 결과 수소는 다공성 구조 형성에, 금속 나트륨은 환원 반응에 핵심적으로 작용하는 복상 환원 메커니즘을 규명했다. 이를 통해 나노결정과 비정질 구조가 혼합된 게르마늄을 합성하는 데 성공했다.

합성된 전극은 기존 상용 게르마늄 대비 높은 가역 용량과 안정적인 충·방전 성능을 보였다. 다공성 구조가 체적 팽창을 완화하고 혼성 구조가 전자·이온 전달을 동시에 개선한 결과로 분석된다.

류 교수는 “금속 산화물 환원 메커니즘을 체계적으로 규명하고 기공 구조와 결정성을 동시에 제어한 첫 사례”라며 “다양한 고용량 음극 소재 설계로 확장 가능하다”고 말했다.

이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 게재됐으며 한국재료연구원 지원으로 수행됐다.