힘세고 오래가는 배터리 만드는 신소재 나왔다

IBS 나노입자 연구단, 수 나노미터 크기의 이산화티타늄 활용
저장성능 30% 향상시키고, 500회 충방전 반복해도 고출령 유지
속 빈 구 형태의 나노구조가 초과로 저장된 리튬 안정화 시켜

5nm 크기 이산화티타늄 나노입자가 집합체로 모여 이룬 속이 빈 구 형태(hollow nanostructure)의 구조(a,c)와 12nm 크기 나노입자로 만든 구조(b,d). 이번 연구에서 5nm 크기 입자로 이루어진 이산화티타늄 나노구조체가 가장 안정적이면서 효율적으로 리튬을 저장하기 최적화된 구조임이 밝혀졌다.

나노입자를 활용해 ‘힘세고 오래가는’ 배터리를 만들 수 있는 신소재가 개발됐다.

기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단(단장 현택환) 연구팀은 개발된 신소재를 리튬이온전지의 전극으로 사용할 경우 기존 배터리의 한계를 극복하고, 용량을 30% 이상 향상 시킨 차세대 고용량 배터리 개발을 견인할 것으로 기대하고 있다.

현택환 단장과 성영은 부연구단장이 이끄는 연구팀은 수 나노미터 크기의 이산화티타늄 나노입자를 이용해 기존 배터리의 용량 한계를 극복할 음극 소재로 최적화된 구조를 발굴했다. 우선 연구진은 나노 이산화티타늄 입자의 크기와 구조를 바꿔가며 다양한 구조를 합성했다. 이들을 제자리분석방법을 통해 관찰하며 합성된 각종 나노 구조의 리튬이온수송 과정을 분석해 최적의 구조를 찾아냈다.

이 결과 수 나노미터 크기 이산화티타늄 입자가 집합체로 모여 속이 빈 구 형태의 2차 입자를 형성할 때 가장 안정적이면서 효율적으로 리튬을 저장한다는 사실을 규명했다.

이어 연구팀은 이 나노구조를 음극으로 적용한 리튬이온전지를 개발하고, 포항방사광가속기에서 X선 분관실험을 진행하며 미시적 구조와 배터리의 성능 사이 관계를 분석했다. X선 분광실험은 복잡한 구조의 시료 내부에서 발생하는 현상을 실시간으로 분석할 수 있다.

개발된 배터리는 리튬이온 저장성능을 30% 이상 향상할 수 있고, 500회 이상 충·방전을 반복해도 고용량, 고출력 성능을 유지했다. 속 빈 구 형태의 나노구조가 초과로 저장된 리튬을 효과적으로 안정화하기 때문에 안정성을 오래도록 유지할 수 있는 것으로 나타났다.

성영은 부연구단장은 “나노입자의 성능한계와 안정성, 안전문제를 모두 해결할 수 있는 새로운 방향을 제시한 것으로 이번 연구에서 개발된 구조는 이산화티타늄뿐 아니라 모든 나노입자에 적용 가능하다”며 “나노입자를 활용해 배터리 성능을 향상할 수 있는 새로운 길이 열릴 것”이라고 말했다.
이해미 기자 ham7239@