기계연, 배터리 성능·안정성 함께 잡는 음극 구조 개발

고성능･고신뢰성 리튬이온배터리 요철 형태 전극 개발

한국기계연구원(원장 박상진)은 리튬이온 배터리의 성능과 안정성을 함께 높일 수 있는 새로운 음극 구조를 개발했다고 17일 밝혔다. 

전극을 두껍게 만들면 더 많은 에너지를 저장할 수 있으나 저항이 커지면서 성능이 떨어지는 문제가 있다. 기계연 나노역학장비 연구실 현승민 책임연구원과 성균관대 이후정 교수 공동 연구팀은 전극이 두꺼워도 고성능･고신뢰성을 유지하는 디자인 및 공정기술을 개발했다. 

음극을 이중층으로 구성하고, 이온 전도성과 전기 전도성이 향상된 작은 소재가 용량이 큰 소재 사이 사이에 존재할 수 있는 요철 형태로 설계했다.

요철 형태로 제작된 이중층 구조의 음극 (자료=기계연)

일반적으로 리튬이온배터리의 전극은 슬러리를 전극 전체에 골고루 배치할 수 있도록 코팅해 건조하는 방식으로 제작된다. 슬러리의 균일도가 배터리 성능을 좌우하는데, 전극이 두꺼워질수록 에너지 밀도와 균일도가 낮아져 고출력 환경에서 성능을 유지하기 어려웠다.

이번에 개발된 배터리의 음극 구조는 전극이 두꺼워져도 전극 전체가 높은 에너지 밀도를 유지하면서 균일한 반응 안정성을 가질 수 있어 성능과 수명을 높일 수 있다. 현승민 책임연구원은 "기존 리튬이온배터리 소재와 공정을 활용하면서도 새 디자인 설계를 적용해 배터리의 성능과 수명을 향상시키는 효율적 방법"이라며 "스마트폰, 노트북과 같은 전자기기는 물론 고출력 환경에서도 높은 에너지 밀도가 요구되는 전기자동차 및 소프트로봇에 적용할 수 있도록 노력하겠다"라고 밝혔다.

이 연구는 과학기술정보통신부 지원 '나노 및 소재 기술개발사업' 및 기계연 기본사업 '나노기반 옴니텍스(Omni-TEX) 제조 기술 개발' 과제의 지원을 받아 수행됐으며, 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)에 최근 실렸다.