전기차나 스마트폰 배터리를 반복해 고속 충전하면 수명이 짧아지는 문제가 제기돼 왔다. 국내 연구진이 이 같은 한계를 극복할 수 있는 새로운 음극 소재를 개발해 주목된다.
울산과학기술원(UNIST) 강석주 교수 연구팀은 고려대 곽상규 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 안석훈 박사와 함께 흑연과 유기 소재를 결합한 하이브리드 음극을 개발했다고 24일 밝혔다. 이번 소재는 고속 충전에서도 성능 저하 없이 긴 수명을 유지하는 것이 특징이다.
리튬이온 배터리는 충전 과정에서 리튬이온이 음극 내부로 이동해 저장된다. 하지만 충전 속도가 지나치게 빠르면 리튬이온이 흡수되지 못하고 표면에 금속 리튬 형태로 쌓이는 ‘데드 리튬(dead lithium)’이 생긴다. 이 현상은 배터리 용량을 줄이고 수명을 단축시키는 주요 원인으로 꼽힌다.
왼쪽 곡면 나노그래핀은 층 간격이 넓고 공간이 많아 리튬이온이 빠르게 들어갈 수 있으며, 금속 리튬이 쌓이는 부작용을 줄여준다. 오른쪽 흑연은 전도성이 높고 안정적으로 리튬을 저장한다. 두 소재를 결합하면 리튬이온이 나노그래핀에 먼저 들어간 뒤 흑연으로 이동하는 ‘순차 삽입’이 일어나, 고속 충전에서도 성능 저하 없이 긴 수명을 확보할 수 있다.
[출처=UNIST·KIST·고려대 연구팀]
연구팀은 이를 해결하기 위해 상용 흑연 입자(MCMB)를 곡면 나노그래핀(Cl-cHBC) 적층 구조 안에 고르게 배치했다. 곡선 형태의 나노그래핀은 층간 간격이 넓고 미세 공간이 많아 리튬이온이 빠르게 들어갈 수 있으며, 이후 흑연으로 순차적으로 이동한다. 이 ‘순차 삽입’ 과정을 통해 고속 충전에서도 데드 리튬이 억제되고 안정적인 충전이 가능해졌다.
실험 결과, 하이브리드 음극은 고속 충전 조건에서 기존 흑연 대비 4배 이상 높은 용량을 기록했다. 전기차용 단결정 NCM811 양극과 결합한 셀 시험에서도 1000회 이상 충·방전을 반복해 초기 용량의 70%를 유지했으며, 파우치셀로 제작했을 때도 2100회 이상 안정적으로 작동했다. 충·방전 효율은 99%에 달했다.
연구팀은 “제조 공정이 단순해 기존 배터리 생산 인프라와 호환 가능하다”며 “곡면 나노그래핀의 구조적 확장성을 활용하면 리튬이온전지뿐 아니라 나트륨전지용 음극으로도 개발할 수 있다”고 설명했다.
이번 연구 성과는 국제 재료과학 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 9월 11일 온라인판에 게재됐다. 연구는 한국연구재단(NRF), UNIST, 과학기술사업화진흥원(COMPA)의 지원으로 수행됐다.
김지윤 기자/ hello@sciencewave.kr
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