혹한 견디는 이차전지용 하이브리드 전극 소재 개발… 군사 등 다방면 활용 기대

  • 경제/과학
  • 대덕특구

혹한 견디는 이차전지용 하이브리드 전극 소재 개발… 군사 등 다방면 활용 기대

현재 흑연 음극재보다 5배 높은 방전 용량 자랑
"자동차, ESS, 정보통신기기 등 사용될 수 있을 것"

  • 승인 2024-08-13 16:42
  • 신문게재 2024-08-14 9면
  • 임효인 기자임효인 기자
ㅇ
티안트렌과 니켈 이온의 산화반응으로 개발된 SKIER-5. 왼쪽부터 티안트렌, 니켈, SKIER-5. 에너지연 제공
국내 연구진이 영하 20도 혹한에서도 안정적으로 작동하는 이차전지용 금속-유기 하이브리드 전극 소재를 개발했다. 상온에서만 안정적으로 작동하던 기존 이차전지의 한계를 극복하며 전기차, 드론, 초소형 전자기기 등 다양한 분야에서의 활용이 기대된다.

한국에너지기술연구원(이하 에너지연)은 재생에너지연구소 에너지저장연구단 유정준·김현욱·임강욱 박사 연구진이 티안트렌 기반의 유기 리간드와 니켈 금속이온을 조합해 전도성 금속-유기 구조체 'SKIER-5'를 개발했고 13일 밝혔다.

현재 리튬 이차전지 음극 구성에 가장 많이 쓰이는 소재는 흑연이다. 열역학적으로 매우 안정적이면서 가격이 저렴한 장점이 있다. 그러나 흑연 음극으로 구성된 이차전지는 영하의 온도에서 저장 용량이 급격히 떨어진다는 치명적 단점을 안고 있다. 충전 과정서 음극 표면의 덴드라이트를 형성해 열폭주와 폭발 위험성도 안고 있다. 덴트라이트는 리튬 일부가 음극재에 저장되지 않고 음극 표면에 나뭇가지처럼 길쭉하게 쌓이는 형태로, 이게 크게 자랄 땐 양극과 음극을 분리하는 분리막을 뚫고 양극에 도달해 폭발을 일으키는 쇼트가 발생할 수 있다.

[사진자료]
에너지연 연구진이 개발된 음극을 실험하고 있다. 에너지연 제공
연구팀이 개발한 구조체는 이러한 한계를 극복하는 기술이다. 상온에선 물론 영하의 온도에서 흑연보다 5배 높은 방전 용량을 나타냈다. 일반적으로 충전과 방전을 반복하면 방전 용량이 줄어드는 것과 달리 1600번을 충·방전을 반복한 결과 용량이 1.5배 증가하기도 했다.

연구팀은 포항가속기연구소의 X-선 구조 분석을 통해 이온의 산화 환원 반응이 용량 증가를 일으키는 것을 확인했다. 탄소로 구성된 흑연과 달리 니켈 이온과 헤테로 원소(질소, 인 등)를 포함한 유기 구조체는 리튬 이온과 상호작용해 전자가 이동하는 산화 환원 반응이 일어난다. 이 과정을 거치면 더 많은 전자를 품게 돼 방전 용량이 증가하는 원리다.

SKIER-5의 동작 원리는 양자 화학을 이용해 예측값을 도출하는 '제일원리 계산'으로 검증했다. 전지의 충·방전 매커니즘을 알기 위해선 리튬 이온이 삽입되는 위치에 따른 전자 구조의 변화를 알아야 하는데, 실험적인 방법으로 변화를 관측할 수 없어 계산 과학이 활용된다.

[사진자료] 계산과학을 통한 SKIER-5의 성능검증
연구진이 계산과학을 통해 SKIER-5의 성능을 검증하고 있다.
연구진은 계산을 통해 X-선 구조 분석과 일치하는 SKIER-5의 격자 구조를 찾고 리튬의 흡착 위치를 예측해 최대 용량과 전압을 계산한 결과 예측값과 일치하는 것을 확인했다. SKIER-5가 전극 소재로 적합하다는 것을 입증한 것이다.

연구를 주도한 에너지연 유정준·김현욱·임강훈 박사는 "SKIER-5는 전지 산업에 핵심적인 역할을 할 수 있는 원천 소재로, 기존 음극재로 사용되는 흑연보다 저온 환경에서 안정적 구동이 가능해 특수 목적의 전지 분야에 응용될 수 있다"며 "특히 혹한기 상황에서도 안정적인 군사 임무 수행이 가능해 온도 변화가 급격한 환경에서 자동차, ESS(에너지저장장치), 정보통신기기 등에 널리 사용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업과 에너지연 기본사업, 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업의 지원을 받았다. 임효인 기자

ㅇ
왼쪽부터 임강훈 박사, 유정준 박사, 김현욱 박사.

중도일보(www.joongdo.co.kr), 무단전재 및 수집, 재배포 금지

기자의 다른기사 보기

랭킹뉴스

  1. 충남도 인구 214만 돌파…사상 최대치 경신
  2. 아산시, '선장포 노을맛집' 축제 성료
  3. 2금융권 예금금리 높이며 금리경쟁 대열 합류... 대전 비은행금융기관 수신도 늘까
  4. 김종서 장군 역사적 가치 널리… 세종시, 해군과 교류 넓힌다
  5. [2026 청양 어린이 안전골든벨] 청양 퀴즈왕 '청양초 5학년 박찬희'… "내년 2연패 도전할 것"
  1. [공주다문화] 한국전력공사 공주청양지사, 추석 명절 맞아 공주시가족센터에 온정의 식료품 키트 후원
  2. [2026 청양 어린이 안전골든벨] 퀴즈왕 자리 놓고 5학년vs3학년 치열한 경쟁… 패자부활전서 기사회생 한 5학년 청양 퀴즈왕 등극
  3. [논산다문화] 후무스와 피데로 맛보는 튀르키예의 따뜻한 환대
  4. [사설] 국립치의학연구원 최적지는 역시 ‘천안’
  5. [논산다문화] 필리핀의 '운다스', 가족과 함께 고인을 기리다

헤드라인 뉴스


통합 국군사관학교 대전 창설 제동 걸리나… 정부가 띄우고 지역은 부담만

통합 국군사관학교 대전 창설 제동 걸리나… 정부가 띄우고 지역은 부담만

이재명 정부가 약속한 통합 국군사관학교 대전 창설이 자칫 제동 걸리지 않을지 우려가 크다. 강신철 국방부 장관이 정부가 대전 자운대로 발표한 통합 사관학교 위치를 재조정할 수 있음을 시사하는 발언을 했기 때문이다. 충청권에선 불과 수개월 만에 정부의 국방 현안이 손바닥 뒤집듯 번복되는 건 아니냐는 걱정이 나온다. 대전시 역시 통합 국군사 창설을 염두해 두고 관련 정책을 준비해 왔지만, 오락가락하는 정부 방침에 부담만 떠안게 될 처지다. 강신철 국방부 장관은 9일 서울 국방부 청사에서 각 군 사관학교 총동창회장들과 만나 국군사관학교..

충남 4개 권역, 해수부 ‘어촌뉴딜3.0’ 공모 선정 쾌거
충남 4개 권역, 해수부 ‘어촌뉴딜3.0’ 공모 선정 쾌거

충남도는 해양수산부 주관 '2027년도 어촌뉴딜3.0 사업' 공모에서 4개 시군 4개 권역이 최종 대상지로 선정돼 총 400억 원(국비 280억 원, 지방비 120억 원)을 확보했다고 9일 밝혔다. '어촌뉴딜3.0'은 인구 감소와 고령화로 인한 어촌 소멸 위기를 극복하고, 청년 및 귀어·귀촌 세대의 안정적인 유입·정착을 도모하기 위해 열악한 어항·정주 환경을 대대적으로 개선하고 자립형 경제·생활 플랫폼을 조성하는 사업이다. 이번 공모에는 도내 5개 시군에서 6개 권역을 신청했으며, 치열한 평가를 거쳐 전국 40개 선정 대상지(경제도..

이 대통령 "소방 재원 안정적 확보·국민 안전 투자도 확대" 약속
이 대통령 "소방 재원 안정적 확보·국민 안전 투자도 확대" 약속

이재명 대통령은 9일 "소방 재원을 안정적으로 확보하고 국민 안전을 위한 투자도 더욱 확대해 나가겠다"고 밝혔다. 이 대통령은 이날 오전 세종시 나성동에 있는 세종예술의전당에서 '목숨을 살리고 세상을 지키는 작은 신, 대한민국 소방'을 주제로 열린 제64주년 소방의 날 기념식 기념사를 통해서다. 이 대통령은 "대한민국 소방은 한 치 앞이 보이지 않는 불길 속과 언제 무너질지 모르는 건물 안에서 국민의 생명을 구해내며 작은 신의 역할을 대신하는 영웅"이라며 유능한 소방관이자 든든한 남편, 자랑스러운 아버지를 떠나보낸 유가족을 위로를..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 2026년산 공공비축미곡 매입 2026년산 공공비축미곡 매입

  • 이재명 대통령, 제64주년 소방의 날 기념식 참석 이재명 대통령, 제64주년 소방의 날 기념식 참석

  • 대전 국제 와인엑스포 ‘북적’ 대전 국제 와인엑스포 ‘북적’

  • 깊어가는 가을과 낙엽 깊어가는 가을과 낙엽