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. 설동호 체제 마무리…오석진號 대전교육, 무엇이 달라질까
  2. 극심한 국내 증시 변동성에…대전 '동전주' 기업, 상장폐지 긴장감 확산
  3. 잇단 비위 문제터진 대전경찰… 수사권 재편 과정 하락한 신뢰도 문제
  4. [한화에어로 참사] “사람은 안 늘고 일만 늘었다”…원가 절감 기조 도마 위
  5. 한화에어로 참사 일주일 만에 아워홈 용인공장서도 끼임 사고
  1. 민선 4대 세종시의회 10일 개회… 유종의 미 거둔다
  2. 대전국토청 ‘2026년 상반기 충청권 교통안전협의체’ 개최
  3. '반국가단체' 몰렸던 청람회… 대전지검, 45년 만에 무혐의 처분
  4. 국방과 우주과학 기술과 전문가 대전서 총집합
  5. 혹서기 이동노동자 생수 나눔 캠페인

헤드라인 뉴스


보행친화도시라더니… 세종 도심 보도블록 관리 `허술`

보행친화도시라더니… 세종 도심 보도블록 관리 '허술'

'보행친화도시'를 지향하는 세종시가 정작 도심 내 보도블록 관리에는 소홀해 시민 안전을 위협하고 있다는 지적이 제기됐다. 세종시의회 이순열 의원(도담·어진동, 더불어민주당)은 10일 열린 제106회 임시회 제1차 본회의에서 보행친화도시 세종을 위한 보도 안전 및 체계적인 관리 방안을 제안했다. 이 의원은 '세종은 지금, 걷고 싶은 도시로 향하고 있는가?'라는 주제의 5분 자유 발언을 통해 도담동 먹자골목의 보도블록 파손과 단차 등 열악한 보도 환경의 실태를 꼬집었다. 실제 세종시의 '영조물 손해배상 공제' 자료에 따르면, 2023년..

`지방선거 패배` 사퇴 요구 거센 충청 출신 정청래·장동혁 대표
'지방선거 패배' 사퇴 요구 거센 충청 출신 정청래·장동혁 대표

충청 출신인 더불어민주당 정청래 대표와 국민의힘 장동혁 대표가 연일 당내에서 거센 사퇴 요구를 받고 있다. 6·3 지방선거 결과에 따른 책임론이 명분이지만, 전당대회를 앞두고 입지가 불안해진 정 대표는 고심이 깊어지는 반면 장동혁 대표는 '재선거'를 내세우며 강하게 거부하고 있다. 사상 처음으로 충청 출신의 집권당과 제1야당 대표가 탄생한 만큼 대화와 타협의 상생 정치에 대한 기대가 컸지만, 이젠 당내에서조차 입지가 초라해지고 있다. 국힘 초·재선을 주축으로 한 개혁 성향의 국회의원 모임인 '대안과 미래'는 11일 오전 국회 소통관..

삼전·하닉 충청권 투자 저울질…민선 9기 선제대응 시급
삼전·하닉 충청권 투자 저울질…민선 9기 선제대응 시급

삼성전자와 SK하이닉스가 충청권 투자를 저울질하는 가운데 지역 실익을 극대화하기 위한 민선 9기 시도지사 당선인들의 선제 대응이 시급하다. 우리나라 반도체 투톱으로 글로벌 메모리 대표 기업의 투자를 유치할 경우 충청권이 한국 경제 견인을 위한 신성장 엔진으로 우뚝 설 수 있기 때문이다. 두 기업 투자 유치 여부는 대전·충남 행정통합 추진이 사실상 제동이 걸린 가운데 지역 미래 발전을 위한 중대 변곡점으로 작용할 것으로 보여 전력투구가 요구된다. 10일 정치권과 산업계 등에 따르면 정부와 재계 안팎에서는 삼성전자와 SK하이닉스가 수도..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 북중미 월드컵 개막 D-2…‘어디서 응원하지?’ 북중미 월드컵 개막 D-2…‘어디서 응원하지?’

  • 놀이기구로 날리는 더위 놀이기구로 날리는 더위

  • 혹서기 이동노동자 생수 나눔 캠페인 혹서기 이동노동자 생수 나눔 캠페인

  • ‘무럭무럭 자라거라’ ‘무럭무럭 자라거라’