국민대학교 신소재공학부 이현정 교수팀과 포스텍 박수진 교수팀이 공동연구를 통해 고용량이면서 수명이 긴 리튬이온배터리 소재 개발에 성공했다.
고성능 전기차 배터리는 에너지 용량을 늘리면서도 충전 시간 단축과 안정성이 확보돼야 한다.
현재 통용되는 흑연 음극은 이론적 용량이 낮고, 고속충전 조건에서 음극 표면에 리튬 금속이 석출돼 배터리의 성능 문제와 안정성에 한계가 있다.
흑연을 대신할 음극 소재로 리튬이온과의 합금 반응이 가능한 ‘주석’을 사용하고 있다.
주석은 이론적 용량이 커서 가벼우면서도 높은 에너지를 가질 수 있는 전극 소재다.
하지만 충·방전 시 큰 부피 변화로 인해 잘 깨져서 리튬이온의 전달 특성과 전극의 안정성을 저하시킨다.
공동 연구팀은 다공성 그래핀에 주석과 이산화 타이타늄이 차례로 코팅되어있는 전극을 개발했다.
구슬 모양의 고분자 템플릿에 이산화 타이타늄과 산화주석을 차례로 코팅한 후 열환원 과정을 통해 제조됐다.
다공성 그래핀은 충전 시 주석이 자유롭게 팽창할 수 있는 빈 공간과 높은 전기전도도를 제공한다.
이산화 타이타늄은 그래핀과 함께 양옆에서 주석의 부피팽창을 잡아준다.
이번 전극은 기존 전극에 사용되던 집전체, 도전제, 바인더가 필요 없는 ‘일체형 전극’이라는 점에서 배터리 에너지 밀도를 높이는 데에 기여한다.

국민대학교 이현정 교수(좌)와  포스텍 박수진 교수

연구팀은 “다공성 그래핀-주석-이산화 타이타늄 일체형 전극은 에너지 밀도와 안정성을 높이는 이상적인 전극이다”며 “이와 같은 전극의 디자인은 리튬이온배터리를 넘어서 다른 이차전지의 고용량 전극 및 유연 이차전지 구조에도 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구의 결과는 국제학술지 ‘스몰’(Small)에 게재됐다.

[저작권자ⓒ 에너지단열경제. 무단전재-재배포 금지]