"고속 충전 반복해도 수명 유지"…배터리 음극 소재 개발

(울산=뉴스1) 김세은 기자 = 전기차나 스마트폰 배터리를 고속 충전해도 수명이 오래 유지되는 배터리 음극 소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다.

강석주 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수, 곽상규 고려대 교수, 안석훈 한국과학기술연구원(KIST) 박사 연구팀이 흑연과 유기 소재를 섞어 하이브리드 음극 소재를 개발했다고 24일 UNIST가 밝혔다.

연구팀에 따르면 리튬이온은 배터리 충전 과정에서 전자와 만나 음극 소재 안에 리튬 원자로 저장된다. 그러나 고속 충전시엔 리튬이온이 음극 내부로 미처 들어가지 못하고 표면에 금속 형태로 쌓이는 이른바 '데드 리튬'이 생긴다. 이 데드 리튬은 다시 쓰이지 못해 배터리 용량을 줄이고 수명을 짧게 만드는 원인이 된다.

연구팀이 이번에 개발한 하이브리드 음극은 이런 문제를 해결하기 위해 상용 음극 소재인 흑연 입자를 곡면 나노 그래핀 적층 안에 고르게 분포시킨 구조로 설계됐다. 활처럼 비틀린 형태의 곡면 나노 그래핀은 적층시 층간 간격이 넓고 나노 크기 공간이 많아 리튬이온이 드나드는 속도가 빠르다는 게 연구팀의 설명이다.

이들 두 소재가 1대 1 비율로 고르게 섞이면 리튬이온은 곡면 나노 그래핀 층에 먼저 들어가고 흑연으로 이동하는 '순차 삽입' 과정을 거치게 되고, 이를 통해 고속 충전 조건에서도 데드 리튬이 생기지 않으면서도 빠른 충전과 긴 수명을 확보할 수 있게 된다.

연구팀은 소재 단위 성능 실험 결과, 이 하이브리드 음극이 고속 충전 조건에서 기존 흑연보다 4배 이상 높은 용량을 기록했다고 밝혔다. 또 전기차용 단결정 양극과 결합해 성능을 검증한 결과에선 1000회 이상 충·방전을 반복해도 초기 용량의 70%를 유지했다.

이 하이브리드 음극은 파우치 셀로 제작했을 때도 2100회 이상 안정적으로 작동했으며, 충·방전 효율은 99%에 달했다.

이에 대해 연구팀은 "단순한 공정으로 기존 배터리 음극 제조 인프라와 호환이 가능하다"며 "곡면 나노 그래핀의 화학 구조 확장성을 활용하면 리튬전지뿐만 아니라 나트륨 전지 음극 개발로도 이어질 수 있을 것"이라고 전했다.

이번 연구 결과는 지난 11일 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스트 펑셔널 머티리얼즈'(Advanced Functional Materials)에도 공개됐다.

syk000120@news1.kr