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. 새벽 물폭탄에 대전·충남 침수 속출… 42명 탄 버스 배수로 빠져
  2. 교명도 본부 위치도 미정…충남대 구성원 '통합신청서 제출 안 된다'"
  3. 싸이카부터 암행까지… 휴가철 음주운전 특별 단속 나선다
  4. '세종시=행정수도' 완성, 범국민 공감대 관건… 대책위 구성 촉각
  5. ETRI, 출연연 오픈소스 협의체 '범출연연'으로 확대
  1. 재판받던 대전교도소 교정 공무원 숨진 채 발견
  2. 검경 수사권 조정 논의 속 ‘보완수사요구권’ 다시 쟁점으로
  3. 대전동부교육지원청, 학교시설 책임담임제 '호응'…종합 만족도 93.9%
  4. 연설문 대신 PPT… 오석진 교육감 새로운 대전교육 비전 제시
  5. 대전조차장역 SRT 탈선 항소심서도 유죄… 형량 낮아진 이유는

헤드라인 뉴스


충청권 최대 200㎜ 비 예보… 산사태 위기경보 `경계`로 상향

충청권 최대 200㎜ 비 예보… 산사태 위기경보 '경계'로 상향

충청권에 많은 비가 예보되면서 대전과 세종, 충남, 충북의 산사태 위기경보가 '경계' 단계로 올라갔다. 산림청은 8일 오후 2시 30분을 기해 대전과 세종, 충남·북 등 충청권 전역의 산사태 위기경보를 '주의'에서 '경계' 단계로 상향 발령했다. 산사태 위기경보는 관심, 주의, 경계, 심각 순으로 발령된다. 이번에 경계 단계로 격상된 지역은 대전·세종·충남·충북·강원·전북 등 6개 시·도다. 서울·인천·부산·대구·울산·경기·경북·경남·전남·광주는 '주의' 단계가 유지됐고, 제주는 '관심' 단계다. 산림청에 따르면, 이날 오후 2시..

허태정 대전시장 "매몰비용 발생하더라도 정리할 사업 보고해라"
허태정 대전시장 "매몰비용 발생하더라도 정리할 사업 보고해라"

허태정 대전시장은 8일 "사업 재설계, 불요불급 사업의 과감한 정리 등 공직자들도 비상상황으로 인식하고 각자의 자리에서 재정 건전화 방안을 고민해주시길 바란다"고 밝혔다. 구체적으로 제2문화예술복합단지 조성과 3칸 굴절차량(버스) 도입 등 다수의 민선 8기 추진 사업에 대한 대수술을 예고했다. 이날 허 시장은 대전시청 대회의실에서 열린 민선 9기 첫 확대간부회의에서 "올해 재정 부족분은 5400억 원, 내년에는 6900억 원에 이를 것이라는 보고를 받았다"면서 "적극적인 재원 발굴 대책뿐만 아니라 지출 규모를 대폭 삭감해 재정 수지..

코스피 7000선 위협에 개미 투자자 `곡소리`
코스피 7000선 위협에 개미 투자자 '곡소리'

코스피가 7000선마저 위협받자 개미들의 곡소리가 터져 나오고 있다. 코스피와 코스닥 시장에서 매도 사이드카까지 발동되는 등 전체적인 주가 흐름이 우하향하자 투자자들은 연일 흐르는 주가에 한탄을 금치 못하고 있다. 8일 한국거래소에 따르면 이날 코스피는 전 거래일 대비 5.35% 내린 7246.79, 코스닥은 5.56% 내린 785로 장을 마감했다. 코스피는 전 거래일보다 2.66% 하락한 7452.48로 출발해 오전 10시 7791.66까지 상승하며 반등을 도모하는 듯했으나 급락하기 시작해 오후 1시 31분엔 매도 사이드카가 발동..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 초복 앞두고 삼계탕 나눔 초복 앞두고 삼계탕 나눔

  • 어르신들 바둑·장기 한마당 어르신들 바둑·장기 한마당

  • 제10대 대전시의회 전반기 의장에 선출된 조성칠 의원 제10대 대전시의회 전반기 의장에 선출된 조성칠 의원

  • 불어난 물에 사라진 유등천 돌다리 불어난 물에 사라진 유등천 돌다리