급속충전. 고용량. 장수명 소재 개발

급속충전. 고용량. 장수명 소재 개발

 

국내 연구진이 급속 충전과 방전을 반복해도 고용량. 장기간 수명을 유지할 수 있는 리튬 이온 전지 음극 신소재를 개발했다. 한국 과학 기술 연구원(KIST) 에너지 저장 연구단 이중기 박사팀은 2018년 07월 02일 전기 자동차와 휴대전화 등 각종 전자기기용 전원으로 사용되는 리튬 이온 전지의 효율과 안정성을 획기적으로 높일 수 있는 음극 신소재를 개발했다고 밝혔다.

 

리튬 이온 전지는 가볍고 에너지 밀도가 높아 고용량 전지를 만드는 데 유리하지만, 충전시간이 길고, 충전. 방전 과정을 반복할수록 전극의 안정성이 떨어져 성능이 현격히 저하되는 등 문제가 있다. 이 때문에 더 가볍고 에너지 밀도가 높으며, 급속 충전이 가능하고 오랫 동안 성능 저하 없이 사용할 수 있는 우수한 효율과 안정성을 지닌 전지 소재 개발이 과제가 되어 왔다.

 

연구진은 이 연구에서 플라스마 중합과 열증착 방식으로 탄소 원자로 이루어진 축구공 모양 분자인 풀러렌 중합체(PC60) 속에 산화 주석(Sno2)에 둘러싸인 주석(Sn) 나노 입자를 고르게 분산시켜 우수한 탄성을 지닌 새로운 개념의 이차 전지 음극 소재를 개발했다.

 

이 소재는 탄성이 우수해 충전과 방전 시 부피 팽창으로 인한 전극 불안정을 극복할 수 있고, 고르게 분산된 주석 나노 입자와 산화 주석, 풀러렌 중합체 사이에 형성된 반도체 접합 구조(p-n 접합) 계면은 전하가 걸려있을 때, 리튬 이온과 전자 이동 속도를 올려 고출력, 고용량이 가능하다고 연구진은 설명했다.

 

연구진은 이 원리를 전지에 적용하면, 충전. 방전시 단위 시간당 리튬 이온의 이동 속도를 높이면서도 계면 저항을 최소화해 급속 충전 상태에서도 장시간 고용량 상태를 유지할 수 있다고 덧붙였다.

 

실제로 주석 50%와 풀러렌 중합체 50%로 만든 리튬 이온 전지용 음극재는 충전. 방전 시간 50분으로 약 5천회를 반복한 뒤에도 용량은 기존 리튬 이온 전지의 3배, 성능은 97.18%를 유지하는 것으로 나타났다. 또한, 급속 충전. 방전 시간을 4분으로 실험했을 때는 기존 이차 전지 대비 1.5배의 성능을 보이면서 충전. 방전 350회 반복 후, 99% 이상의 성능을 유지했다.

 

이중기 박사는 "반도체 접합 구조 계면 특성을 가진 리튬 이온 전지 음극재 합성 기법과 개선 방안은 차세대 급속 충전용 전기 자동차, 드론, 근력 증강 로봇 등의 전원 설계에 응용할 수 있다"며, "이 방법이 다른 무선 이동원의 핵심 디바이스 설계에도 새로운 접근법을 제시할 수 있을 것"이라고 말했다. 한국 연구 재단 중견 연구자 사업과 KIST 기관 고유 사업 지원으로 수행된 이 연구 결과는 국제 학술지 'ACS 나노(ACS Nano)에 게재됐다.