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. '맥도날드·세종시립박물관' 차례로 오픈… 고운동 정주여건 좋아진다
  2. 정부 국가철도망 계획에 대전시 역량 집중해야
  3. 인공위성 기업 컨텍-AP위성, 루마니아에 지상국 시스템 전수
  4. 아산시, 골목형상점가 4곳 추가 지정
  5. 경주역 KTX 9월1일부터 증편
  1. 대전시 2037년 전력자립도 108% 달성 관건은 '주민 수용성'
  2. [아침을 여는 명언 캘리] 2026년 8월7일 금요일
  3. 대전상의, 최원철 공주시장 예방… 지역경제 협력방안 논의
  4. 대전혁신센터, 대전창업허브 입주기업 7개사 모집
  5. 대전 빌라서 창호 교체하던 50대 작업자 추락해 숨져

헤드라인 뉴스


표준연, 국산 반도체 공정용 가스 `품질평가 체계` 구축

표준연, 국산 반도체 공정용 가스 '품질평가 체계' 구축

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 이호성)이 반도체 주요 공정에 쓰이는 고순도 가스 15종의 순도분석기술과 시험절차를 확립했다. 2019년 일본이 반도체 주요 소재의 수출 규제로 무역보복을 단행했을 때 불소 등의 공급처 확보가 어려웠던 경험에서 반도체 소재의 국산화와 공급망 다변화에 노력한 성과다. KRISS는 2020년 불화수소 품질평가 서비스를 시작한 이래, 단계적으로 대상을 늘려 최근 식각·세정·증착용 고순도 가스 15종에 대한 순도분석 기반을 구축했다고 7일 밝혔다. 이로써 가스별 표준 시험절차를 마련해 15종 전 품목에..

꿈의 무용단 천안, 전국 예술단과 `우리들의 하모니` 선보여
꿈의 무용단 천안, 전국 예술단과 '우리들의 하모니' 선보여

천안문화재단은 꿈의 무용단 천안이 5~7일까지 '2026 꿈의 예술단 합동캠프'에 참가해 전국 아동·청소년 예술단원들과 교류하며 공동 무대를 선보였다고 밝혔다. '우리들의 하모니'를 주제로 강원도 평창에서 열린 이번 캠프에서 꿈의 무용단 천안은 논산·공주 단원들과 함께 '아리랑을 위한 시퀀스'를 선보이며 화합의 의미를 담은 무대를 펼쳤다. 합동공연에서 전국 꿈의 예술단이 함께하는 다채로운 공연과 함께 '나의 내일을'을 주제로 피날레 무대를 선보이며 캠프를 마무리했다. 재단 관계자는 "이번 합동캠프는 단원들이 전국의 또래 친구들과 예..

"132억 농어민 희망자금 푼다", 서산시, 2만2천여 농어업인에 농어민수당 지급
"132억 농어민 희망자금 푼다", 서산시, 2만2천여 농어업인에 농어민수당 지급

충남 서산시가 농업과 어업의 공익적 가치를 인정하고 지역 농어업인의 안정적인 생계와 경영을 지원하기 위해 총 132억 원이 넘는 농어민수당을 지급한다. 시는 8월 10일부터 2026년 농어민수당 132억 7,000여만 원을 지급한다고 밝혔다. 이번 지급 대상은 모두 2만 2,002명으로, 분야별로는 농업인 2만 1,462명, 어업인 480명, 축산업 종사자 35명, 임업인 25명이다. 농어민수당은 농업과 어업이 식량안보와 환경보전, 농촌 공동체 유지 등 다양한 공익적 기능을 수행하는 점을 인정해 농어업인의 경영 안정을 지원하기 위해..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • ‘안전모를 착용합시다’ ‘안전모를 착용합시다’

  • 극한 폭염 속 안전한 열차 운행을 위한 선로관리 극한 폭염 속 안전한 열차 운행을 위한 선로관리

  • ‘폭염으로 단축 영업합니다’ ‘폭염으로 단축 영업합니다’

  • ‘충청권 식수원을 보호하라’…대청호 녹조 제거하는 방제선 ‘충청권 식수원을 보호하라’…대청호 녹조 제거하는 방제선