▲ 미생물로 만든 황화비소 나노물질의 독특한 구조적 특성에 따른 리튬이온과의 반응 메커니즘 규명.

국내연구진이 미생물을 활용해 리튬이온이차전지(LIB)의 문제점을 해결할 수 있는 매커니즘을 밝혔다.

GIST(광주과학기술원, 총장 문승현) 허호길 지구·환경공학부 교수와 김민규 포항가속기연구소 박사는 ‘슈와넬라(Shewanella sp. HN-41)’라고 불리는 미생물을 활용해 리튬이온 이차전지의 전극물질을 만드는데 활용할 수 있음을 확인했다고 24일 밝혔다.

슈와넬라 미생물은 연구팀에 의해 해남의 공룡 발자국 퇴적층에서 발견됐는데 해당 물질은 독성이 높은 비소를 황화비소로 전환시킬 수 있다. 또한 침전된 물질은 수 마이크로미터 길이의 나노 튜브 성상의 독특한 모양을 하고 있으며, 산업에 활용될 수 있는 반도체 특성을 보이는 것으로 확인됐다.

나노물질을 합성하기 위해서는 높은 온도나 특수 장비들이 필요하지만, 미생물에 의한 나노물질 생성은 우리가 살 수 있는 상온에서 저비용 및 친환경적인 과정에 의해 손쉽게 대용량으로 만들 수 있어서 산업적으로 큰 주목을 받고 있다.

현재 리튬이온 이차전지의 음극물질로 사용되고 있는 흑연은 탄소로 이루어진 층상구조에 리튬이온이 저장되는 구조이다.

이와 유사하게 미생물이 만든 물질 즉 황화비소(Realgar, As4S4)의 독립된 분자들 사이에 느슨하게 서로 결합된 거리가 존재하는데 리튬 이온이 이 공간에 자유롭게 끼어들어 황과의 결합을 통해 저장될 수 있음을 확인했다.

연구팀은 포항방사광가속기 연구소에서 실시간 구조분석을 통해 황화비소 나노물질이 리튬이온과 반응하는 메커니즘을 규명하고, 특히 독립적으로 존재하는 분자들이 하나의 최소 단일 전극물질이라는 황화비소의 독특한 구조적 특징으로 리튬 이온의 연속적인 탈착과정 중에도 안정적인 분자구조를 유지할 수 있음을 확인했다.

연구진은 “이전에 리튬이온 이차전지의 구조적인 문제에 따른 부피 팽창으로 물질들이 산산이 부서지면서 전극에서 떨어져서 발생하는 배터리 수명 감소 문제점을 해결할 수 있는 새로운 아이디어를 제공할 수 있음을 의미”한다고 전했다.

또한 미생물에 의해 독성물질을 제거하고 동시에 에너지 저장 및 변환물질로 재활용할 수 있는 방법을 제시하고 특히 이차 전지의 구조적 안정성을 제고할 수 있는 친환경적 생물적 합성 방법을 제시하였다는 의의가 있다고 밝혔다.

한편, 허호길 교수가 주도하고, 김민규 박사(공동 교신저자)와 김태양 박사과정생(제1저자)이 수행한 본 연구결과는 국제적인 학술지인 ‘어드밴스드 서스테인어블 시스템즈(Advanced Sustainable Systems)’ 7월10일 표지논문(Cover Picture)으로 온라인에 게재됐다.