배터리 시장의 급성장과 함께 배터리 요구 사양이 다변화되고 있으며, 이에 따라 하이엔드 배터리뿐만 아니라 중·저가 보급형 배터리에 대한 필요성이 증가하고 있다. 산화철은 가격이 저렴하며, 이론적 중량 당 용량 (924 mAh/g)과 체적 당 용량 (4777 mAh/cm³)이 높다. 따라서 중·저가 배터리의 음극재로 활용하기에 적합하다. 그러나, 산화철은 리튬이온 충∙방전 시 ~100 %의 부피 변화가 발생하며, 전환반응으로 인해 산화철 결정 구조가 붕괴되고 철 이온이 이동하기 때문에 수명과 가역성이 낮다는 문제를 가진다. 따라서 이를 해결하고자 산화철을 나노화하고, 탄소와 복합화하는 연구가 수행되어왔다. 특히, 산화철과 다공성 탄소를 복합화하는 전략은 산화철 입자의 응집으로 인한 낮은 수명 문제를 해결하고, 부피 변화로 인한 응력을 완화할 수 있으며, 탄소의 높은 전자 전도도로 인해 출력을 개선할 수 있다는 점에서 충∙방전 시 산화철에서 발생하는 문제를 해결하기에 적합하다. 따라서 산화철을 다공성 탄소에 담지하고, 다공성 탄소의 형상을 조절하여 성능을 향상시킨 다수의 선행 연구가 보고되었다. 하지만 다공성 탄소의 어떠한 인자가 산화철/다공성 탄소 복합체 성능에 영향을 미치는지에 대한 이해가 부족하며, 특히 다공성 탄소의 기공 길이가 산화철의 전환반응 가역성에 미치는 영향에 대한 연구는 거의 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 기공 길이가 조절된 두 개의 탄소 담체 SC (short- mesopore CMK-3, ~173 nm)와 LC (long-mesopore CMK-3, ~1392 nm)에 산화철을 담지하여 담체 기공 길이가 배터리 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 기공 길이를 제외한 다른 물성(비표면적, 기공 부피, 기공 크기, 흑연화도, 표면기능기 등)은 유사하게 통제하였다. SC와 LC에 산화철 전구체을 담지하고 열분해하여 Fe₃O₄/SC와 Fe₃O₄/LC를 합성하였다. 반쪽 전지 평가 결과, Fe₃O₄/SC가 Fe₃O₄/LC보다 우수한 전환반응 가역성, 출력 특성 및 수명안정성을 보였다. 이러한 성능 차이는 탄소 담체의 기공 길이가 축소됨에 따라 전환반응에 참여하는 Li, O, Fe 원자의 고체상 확산거리가 짧아지고 이와 관련된 과전압이 감소했기 때문이라 여겨진다. 완전지 수준의 성능향상을 검증하기 위하여, 제조한 Fe₃O₄/SC를 흑연과 1:9 중량비로 혼합하여 음극으로 사용하였다. 상용 NCM523을 양극이자 상대전극으로 사용하였다. 그 결과, 흑연 음극을 사용한 완전지 대비 부피당 에너지 밀도 (897 Wh/L)와 출력 밀도 (988 W/L)가 향상되었다.
