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. 홍성군, 월산상가 '상다리 펴는 날' 개최
  2. "지천댐 통한 지역 발전 이끌어야" 충남도의회 심우성·민병희 의원 종합대책 촉구
  3. [사이언스칼럼]기후변화가 바꾸는 일상, 우리가 바꿀 미래
  4. 대전 직업계고 취업률·유지취업률 전국 3위…충청권 1위
  5. 대전교도소 메디컬센터 첫 진료개시…"교정처우 개선 우수모델 안정적 운영을"
  1. 천황봉 3D 스캔부터 계룡산성 발굴까지… 세계유산을 향한 발걸음 '활발'
  2. 재투표 앞두고 교수사회 내홍…통합 동력 확보할 수 있나
  3. 대전사랑메세나·한국자유총연맹 대전시지부·중구 청년센터 청년모아, 지역사회 나눔과 봉사 표창
  4. 역대 최대 2조 9102억 기초연구 예산… 핵심은 '지역 연구자 살리기'
  5. 박수현 충남지사, “낙수경제 넘어 바닥에서 솟구치는 ‘분수경제’ 만들 것”

헤드라인 뉴스


수능·내신 대전환에 국제중 인기…7년 새 지원자 73.6% 증가

수능·내신 대전환에 국제중 인기…7년 새 지원자 73.6% 증가

수능과 내신 평가체계 변화로 대입 불확실성이 커지면서 중학교 단계부터 학업경쟁력을 확보하려는 수요가 국제중학교로 이어지고 있다. 특목고·자사고 진학 실적과 영어 중심 교육환경 등이 맞물리면서 국제중 선호도도 높아지는 추세다. 6일 종로학원이 분석한 2027학년도 국제중 지원 현황에 따르면 전국 5개 국제중 가운데 경쟁률을 공개한 4개 학교의 지원자는 8998명으로 집계됐다. 474명 모집에 평균 경쟁률은 18.98대 1로, 최근 7년 사이 가장 높은 수준이다. 지원자는 2021학년도 5182명에서 2025학년도 8597명까지 꾸준히..

고속철도 통합 60일…이용객 12.6% 늘고 교통비 515억 절감
고속철도 통합 60일…이용객 12.6% 늘고 교통비 515억 절감

고속철도 통합 이후 열차 운행과 좌석 공급이 확대되면서 이용객이 전년 대비 12.6% 증가한 것으로 나타났다. 운임 할인과 마일리지 등을 통한 교통비 부담 완화 효과도 515억 원에 달하는 것으로 집계됐다. 국토교통부와 한국철도공사(코레일)는 5일 고속철도 통합 60일을 맞아 이 같은 내용의 운영 성과와 향후 서비스 개선 계획을 발표했다. 국토부에 따르면 지난 9월 1일부터 10월 30일까지 고속철도 일평균 이용객은 32만 2000명으로, 전년 동기 대비 3만 6000명(12.6%) 증가했다. 월별 증가율도 9월 11.9%에서 10..

`2100세대 공급` 세종 합강동, 유·초·중 신설 심사 끝…고교는 내년 중투심
'2100세대 공급' 세종 합강동, 유·초·중 신설 심사 끝…고교는 내년 중투심

올 연말 2100세대 공동주택 공급이 예고된 세종 합강동(5-1생활권)의 초·중학교 설립 심사가 모두 완료됐다. 유치원과 초등학교 각각 2곳, 중학교 한 곳의 설립이 확정됐으며, 내년에는 고등학교 설립을 위한 절차도 밟아나갈 계획이다. 5일 세종시교육청에 따르면 교육부는 정기4차 중앙투자심사에서 5-1생활권(합강동) '가칭' 합강2초등학교 설립 심사를 진행했다. 최종적으로 중투심을 넘어서면서 합강동에 계획된 유·초·중등 설립이 모두 확정됐다. 합강2초의 총 사업비는 481억 원 규모다. 초5-7 부지에 50학급(특수2 포함) 120..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 깊어가는 가을과 낙엽 깊어가는 가을과 낙엽

  • 난방용품 판매 준비 분주 난방용품 판매 준비 분주

  • 울긋불긋 물든 도심 울긋불긋 물든 도심

  • 대전 갑천4BL 청년주택 공급사업 기공식 대전 갑천4BL 청년주택 공급사업 기공식