초고속 충전 리튬이온 배터리 소재 개발

▲ 강정구 교수.

전기자동차, 휴대기기 등에 활용 기대

KAIST(총장 강성모)는 강정구ㆍ김용훈 EEWS 대학원 교수 공동 연구팀이 급속 충전과 방전이 가능하고 1만 번 이상의 작동에도 용량 손실이 없는 ‘리튬 이온 배터리 음극 소재’를 개발했다고 20일 밝혔다.

이 기술은 앞으로 전기자동차, 휴대기기 등 높은 출력과 긴 수명을 요구하는 분야에 응용이 가능할 것으로 전망된다.

이번 연구의 핵심 기술은 3차원 그물 형상의 그래핀과 6㎚(나노미터) 크기의 이산화티타늄 나노입자로 구성된 복합 구조체를 간편한 공정으로 제조하는 것이다.

기존에는 그래핀이 음극 배터리 물질로 자주 사용됐다.

그래핀을 쉽게 만드는 방법은 용액 상에서 흑연을 분리시키는 방법인데, 이는 과정상 결함과 표면의 불순물이 발생할 수 있어 전기 전도성을 높이는데 어려움이 있었다.

연구팀은 문제를 해결하고자 화학 물질을 플라즈마나 열로 박막을 형성하는 화학기상증착법(CVD)을 이용했다.

이로써 기존의 평평한 형태가 아닌 결함이 적고 물성이 우수한 3차원 그물 형상의 그래핀을 만들고 그 위에 메조 기공이 형성된 이산화티타늄 나노입자 박막을 입혀 복합 구조체를 구현했다.

이 기술은 일반적인 전극 구성물질인 유기 접착제와 전도성 재료를 사용하지 않아 전극 제조 공정을 간소화했을 뿐만 아니라 전기 전도성을 높였다.

또 3차원 그물 형상의 그래핀과 화학적으로 안정된 이산화티타늄 나노입자가 형성하는 다양한 크기의 기공이 전해질의 접근성을 높였다.

이 기술은 크기가 작은 나노 입자를 사용해 표면부터 중심까지의 거리가 짧아, 짧은 시간에도 결정 전체에 리튬을 삽입할 수 있어 빠른 충전과 방전 속도가 가능하다.

연구팀은 1분에 130mAh/g의 용량을 완전히 충ㆍ방전하는 데 성공했고 이 과정에서 용량 손실 없이 1만 번 이상 기기가 작동함을 확인했다.

강 교수는 “재료의 물성을 극대화할 수 있는 구조적 설계를 통해 기존 이차전지의 문제점을 해결하고 성능을 효과적으로 높이는 방법을 제시했다”며 “재료 물리학 측면에서 가치가 높은 연구 결과로 구조적 측면에서도 앞으로 여러 에너지 저장장치 등의 분야에 활용 가능성이 크다”고 말했다.

이번 연구 결과는 국제 과학 학술지 지난달 18일 자 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 온라인 판에 게재됐다. 최소망 기자 somangchoi@

▲ 김용훈 교수.