[신기술 소개] 바이러스를 이용한 리튬이온 전지용 나노와이어 전극 개발 (Virus-Enabled synthesis of nanowire anode for Li ion battery)

반복해서 충전해 쓸 수 있는 2차전지 중에서 리튬 이온 전지는 100% 방전과 충전을 반복해야 성능이 유지되는 다른 전지들과는 달리 수시로 충전하여 사 용해도 수명에 거의 영향을 미치지 않고 오랫동안 사 용하지 않아도 방전이 잘 되지 않는다는 장점을 가지 고 있어 각광받고 있다. 점점 소형화되고 고성능화 되 어가는 현대 디지털 기기의 개발로 인해 더 작고 성능 이 뛰어난 리튬이온 전지의 개발이 요구되고 있으며 이를 위해 nanoparticle, nanotube, nanowire 등을 이 용하여 소형화를 이루려는 연구가 이루어지고 있다.

최근에 MIT와 KIST 공동연구진이 바이러스를 이 용하여 리튬이온 전지 전극을 만드는 획기적인 기술 을 발표하여 주목 받고 있다. 연구팀은 단백질로 이루 어진 M13이라는 바이러스의 유전자를 조작해 표피층 에 코발트와 잘 결합하는 단백질이 만들어지도록 했 다. 이 바이러스를 염화코발트 용액에 담가 전기적으 로 음성(-)을 띄고 있는 바이러스와 양성(+)을 띄고 있는 코발트 이온이 결합을 하게 하여 염화코발트 결 정체가 바이러스의 몸 전체에서 균일하게 자라게 하 였다. 이를 NaBH4로 환원 처리한 후 다시 산화시켜 일정한 크기의 균일한 Co3O4 nanowire를 만들고 이 를 전지의 anode로 사용했다. 바이러스를 템플레이트 로 이용하여 전극으로 쓸 수 있는 코발트 산화물 막대 를 만든 것이다.

탄소를 코발트화합물로 대체하면 배터리의 전기 저 장 용량이 향상되는 것으로 알려졌지만, 코발트화합 물을 만들기 위해서는 500~700℃의 고온이 필요하고 인체에 해로운 물질들을 배출하기 때문에 대체하기가 쉽지 않았다. 이번에 소개하는 연구는 제조 공정을 상 온에서 할 수 있기 때문에 제조 비용을 낮출 수 있는

데다 연구에 쓰인 M13이라는 바이러스와 코발트 산 화물 제조 공정은 인체에 무해하다는 장점이 있어 주 목 받고 있다. 연구진은 이러한 방법으로 제조한 리튬 이온 전지가 탄소를 사용한 기존의 리튬이온 전지보 다 전기 저장 용량이 2배 늘어난다는 사실을 확인했 으며 상온에서 제조했음에도 기존 방법으로 500℃에 서 제조한 코발트 산화물과 비슷한 물성을 갖는 것을 확인했다. M13 표면 단백질이 코발트뿐만 아니라 금

NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 24, No. 4, 2006 … 347

바이러스를 이용한 리튬이온 전지용 나노와이어 전극 개발

(Virus-Enabled synthesis of nanowire anode for Li ion battery)

M13 Virus

Macroscopic Self Assembly of Virus

Anode Electrolyte Cathode Co3O4

or Au-Co3O4

Nanowire

그림 1. 바이러스를 이용한 리튬이온 전지용 전극 제조 과정.

348 … NICE, 제24권 제4호, 2006

도 결합되도록 유전자를 조작하자 배터리 용량이 0.3 배 더 향상되었다고 발표했다. 이 기술을 이용하여 고 분자 전해질에 바이러스를 한 층으로 정렬시켜 Co3O4

전극을 성장시키면 얇고 휘어질 수 있는 배터리를 만 들 수도 있다.

이번 연구는 초정밀 첨단의학 소자의 에너지원으로 서의 활용 및 휴대전화기 전지용량 확대와 같은 분야 에 크게 기여할 것으로 기대된다[Science, Vol. 321, p. 885(2006)].

그림 2. 고분자 전해질에 Co3O4 anode를 성장시킨 전극.