충전-방전 빠른 배터리 소재 개발...'전기차 출력 높일 것'

국내 연구진이 빠르게 충전 및 방전이 가능한 리튬 이온 배터리 음극소재를 개발했다. 향후 전기자동차의 출력을 높이고, 휴대용 전자기기의 수명을 향상하는데 도움이 될 것으로 기대된다.

KAIST는 EEWS 대학원 강정구, 김용훈 교수 공동 연구팀이 빠른 속도의 충, 방전이 가능한 동시에 1만 번 이상의 작동에도 용량 손실이 없는 리튬 이온 배터리 음극 소재를 개발했다고 20일 밝혔다.

현재 음극 배터리 물질로는 그래핀이 가장 많이 사용된다. 그래핀을 쉽게 만드는 방법은 용액 상에서 흑연을 분리시키는 방법인데 이 과정에서 결함 및 표면의 불순물이 발생해 전기 전도성을 높이는데 방해가 된다.

3차원 그물 형상의 그래핀위에 증착된 메조기공을 형성하는 이산화 티타늄 박막 복합 구조체의 모식도 (좌)와 리튬이 삽입된 구조분석 (우). 아래 그림은 바인더 없이 제조된 고출력/고수명 특성을 보여준다

연구팀은 문제 해결을 위해 화학기상증착법을 이용해 기존의 평평한 형태가 아닌 결함이 적고 물성이 우수한 3차원 그물 형상의 그래핀을 제조했다. 이로써 유기 첨가물의 사용을 자제면서 그래핀이 전자의 이동을 활성화 할 수 있는 복합 구조의 소재를 구현할 수 있었다.

이 기술은 크기가 작은 나노 입자를 사용하기 때문에 표면부터 중심까지의 거리가 짧다. 따라서 짧은 시간 내에 결정 전체에 리튬을 삽입할 수 있어 빠른 충, 방전 속도에서도 효율적인 에너지 저장이 가능하다. 연구팀은 1분 이내에 130mA/g의 용량을 완전히 충, 방전하는데 성공했고, 이 과정에서 용량 손실 없이 1만 번 이상 작동함을 확인했다.

연구팀은 “재료의 물성을 극대화시킬 수 있는 구조적 설계를 통해 기존 이차전지의 문제점을 해결하고 성능을 효과적으로 높이는 방법을 제시했다”고 밝혔다.

강 교수는 “재료 물리학 측면에서 가치가 높은 연구 결과이다”며 “구조적 측면에서도 향후 여러 에너지 저장장치 등의 분야에 활용 가능성이 클 것이다”고 말했다.

이 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 한국연구재단의 도약사업과 KISTI 슈퍼컴퓨팅의 지원을 받아 수행됐다. 이규헌 박사과정, 이정우, 최지일 박사가 주도한 이번 연구 결과는 국제 과학 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’ 지난 5월 18일자 온라인 판에 게재됐다.