유니스 에너지화학공학과 이현욱(왼쪽부터) 교수, 제 1저자 김민호 연구원, 제 1저자 김주영 연구원.(유니스트 제공)

성냥개비 성분인 적린(붉은 인)을 코팅시킨 저렴한 흑연 음극재가 새롭게 개발됐다.

유니스트(UNIST)는 에너지화학공학과 이현욱 교수팀이 기화-응결방법을 이용해 적린과 카본으로 코팅된 다공성 흑연음극재 '흑연-인 복합체'를 개발했다고 5일 밝혔다. 개발된 복합체는 적린과 카본 코팅층의 이점을 이용해 흑연 표면에 생성되는 전자와 리튬이온의 전도도를 높인다. 향상된 전도도는 고속충전 시 전극 표면에만 집중되던 리튬이온을 확산시켜 충전을 균일하게 만든다. 배터리에 문제를 일으키는 수지상 형성을 억제해 배터리 안정성 또한 향상시켰다.

음극재 개발은 배터리 안정성에 있어 매우 중요하다. 흑연과 같은 음극은 충전할 때 생기는 리튬농도 집중 현상으로 리튬의 이동이 제한된다. 이와 같은 충전의 불균일성은 상단부에 수지상 형성을 일으켜 배터리의 성능을 저하시킨다.

연구팀은 적린의 낮은 끓는점(280℃)을 활용해, 인성분을 흑연 표면에 균일하게 기상 증착시켰다. 석영관을 녹여 흑연과 적린을 밀폐시킨 후 끓는점 이상으로 온도를 가하면 적린이 기화한다. 기화한 적린은 흑연을 균일하게 감싸게 되고, 온도를 내리면 증착이 이뤄진다. 특히, 원유를 분리할 때 생기는 잔류물인 '석유계 피치'를 추가로 코팅함으로써 적린의 부반응이 제어된 흑연-인 복합체가 완성된다.

연구팀은 개발한 복합체를 실시간 광학현미경으로 관찰하고 이미지 프로세싱을 통해 분석했다. 흑연은 충전에 따라 색상이 변화하는데, 개발된 흑연-인 복합체를 충전시킬 때 색상 분포가 깊이별로 균일해지는 것을 확인했다.

또한 균일성 향상으로 고속충전 시 수지상 형성 없이 안정적으로 충전됨을 광학현미경 영상을 통해 확인했다. 또한 1000싸이클 이상의 장기 고속 충·방전 테스트에서도 94.4%의 용량을 유지하고 99.8%의 쿨롱 효율을 보여 훌륭한 내구성 또한 확인했다.

이 교수는 "흑연 기반의 음극재는 향후 10년간 리튬이온전지 시장을 주도할 것"이라며 "저렴한 적린과 카본을 코팅한 흑연 음극재의 개발로 배터리 시장에서 필요로 하는 부분을 충족시킬 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 울산과학기술원 미래선도형 특성화사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 신진연구사업의 지원으로 수행됐다. 에너지 소재 분야의 세계적인 국제학술지인 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)'에 8월 29일자로 온라인 게재됐다.


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