서강대학교 연구진이 리튬이온전지 음극 소재로 주목받고 있는 게르마늄(Ge)의 구조를 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 합성 전략을 제시했다. 이번 연구는 수소화물 기반 복상 환원 반응을 활용해 게르마늄의 미세구조를 조절함으로써 전극 성능을 크게 향상할 수 있음을 입증했다.

게르마늄은 실리콘(Si)보다 우수한 전기·이온 전도 특성을 보여 차세대 고출력 리튬이온전지 음극 소재로 평가받고 있다. 그러나 충·방전 과정에서 발생하는 큰 부피 변화와 구조적 불안정성으로 인해 실제 전지 적용에는 한계가 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 기존 합성법과는 다른 새로운 접근법을 도입했다.

서강대학교 화공생명공학과 류재건 교수 연구팀(제1 저자: 이기정 석사과정생)은 나트륨 수소화물(NaH)을 환원제로 사용해 산화 게르마늄(GeO₂)을 환원하는 과정에서, 반응 중에 발생하는 수소와 금속 나트륨의 역할을 정밀하게 분석했다. 그 결과, NaH의 분해 과정에서 생성되는 수소는 다공성 구조 형성에 기여하고, 금속 나트륨은 산화물을 효과적으로 환원하는 핵심 역할을 수행함을 세계 최초로 규명했다. 이러한 복상(Multi-phasic) 환원 메커니즘을 통해 나노결정과 비정질 구조가 혼합된 독특한 게르마늄 구조를 구현할 수 있었다 (그림 참조).

이번 연구에서 합성된 게르마늄 전극은 기존 상용 게르마늄 입자 대비 우수한 전기화학적 성능을 보였다. 특히 반복적인 충·방전 사이클에서도 구조적 안정성을 유지하며 높은 가역 용량을 나타냈고, 고전류 조건에서도 안정적인 성능을 유지하는 것으로 확인됐다. 이는 다공성 구조가 체적 팽창을 효과적으로 완화하고, 혼성 구조가 전자 및 이온 전달을 동시에 향상한 결과로 분석된다.

이번 연구의 교신저자인 류재건 교수는 “이번 연구는 금속 산화물의 환원 과정 메커니즘을 체계적으로 규명하고, 이를 기반으로 기공 구조와 결정성을 복합적으로 제어한 최초의 접근”이라며, “본 전략은 다양한 금속 산화물 기반 고용량 음극재 합성으로 확장 가능성이 높아 차세대 고에너지 밀도 활물질 설계에 중요한 전환점을 제시할 것”이라고 밝혔다.

해당 성과는 에너지 분야 국제 저명 학술지 Advanced Science (Impact factor: 14.1, JCR 상위 7.1%)에 게재되었으며, 본 연구는 한국재료연구원의 지원을 받아 수행되었다.

 게르마늄 산화물의 환원 메커니즘 및 나트륨 수소화물과의 조성비에 따른 합성 결과물(위)과 다공성 저마늄 활물질의 성능 특성(아래)

논문제목: “Unraveling Hydride-Driven Multiphasic Reduction Toward Tunable Germanium Structures for Lithium-Ion Batteries”

(공동1저자: 이기정, 강지은 박사, 공동교신저자: 이진우 박사, 류재건 교수)

논문링크: https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.74278

연구실 홈페이지: https://sites.google.com/view/jryugroup/home