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. [날씨] 이번 주말 흐리고 전국에 강한 비…다음주 소나기 가능성
  2. 국내 마리나 산업·관광 '체류·체험형'으로 체질 개선
  3. 천안교도소, 구인·구직 만남의 날 행사 개최
  4. 천안시티FC, 든든한 파트너 후원사와 한자리에…상생 파트너십 강화
  5. 백석대 레슬링팀, 전국레슬링대회서 금 3·은 1·동 5 획득 쾌거
  1. 중진공 충남본부, 도약 프로그램 선정기업 ㈜한도 현판수여식 개최
  2. 연암대, 연암리빙랩 어드벤처디자인 경진대회 개최
  3. 장기수 천안시장 당선인, 첫 행보로 민생경제회복 …천안사랑카드 100억원 추가 확대
  4. 충남콘진원 입주기업 '빅펀', 글로벌 콘텐츠 제작 공모 선정
  5. 한국 축구 대표팀, 월드컵 2차전서 난적 멕시코 0대1 석패

헤드라인 뉴스


`영원한 2인자` 고 김종필 탄생 100주년, 중용·통합의 정신 기린다

'영원한 2인자' 고 김종필 탄생 100주년, 중용·통합의 정신 기린다

충청 정치의 거목으로 평가받는 고 김종필(金鍾泌·JP·26년생) 전 국무총리 탄생 100주년 기념식과 제8기 추도식이 23일 오후 국회의원회관에서 열린다. 김종필문화재단(이사장 조부영) 주최로 열리는 행사의 주제는 '사랑에는 후회가 없습니다'로, 민주자유당과 결별한 JP가 1995년 충청권을 기반으로 한 자유민주연합(1995년 3월 30일∼2006년 4월 7일)을 창당 후 국회 교섭단체 대표연설에서 처음 한 말이다. 행사는 산업화와 민주화, 국민통합 시대에서 역할을 했던 운정(雲庭) 김종필 전 국무총리의 삶과 업적으로 재조명하고 대..

”더워도 월드컵은 못 참죠” 월드컵 야외 응원 나선 대전 시민들
”더워도 월드컵은 못 참죠” 월드컵 야외 응원 나선 대전 시민들

19일 오전 9시 30분, 대전 유성구 국립중앙과학관 광장. 2026 북중미 월드컵 조별리그 A조 한국과 멕시코 경기를 앞두고 월드컵 응원전을 위한 대형 전광판과 가림막 텐트가 마련돼 있었다. 이날 대전의 낮 기온은 30도를 웃돌았다. 오전부터 햇볕은 뜨겁게 내리쬐었고, 5분만 가만히 서 있어도 이마와 목덜미를 타고 땀이 흘러내렸다. 텐트 그늘 아래조차 후끈한 열기가 감돌았다.그러나 월드컵 열기는 무더위보다 뜨거웠다. 1차전 체코전 승리 이후 대한민국 축구대표팀에 대한 기대감은 더욱 커졌다. 도심 곳곳의 술집과 학교, 회사에서는 단..

"내년부터 10조 지원" 할 일 많아진 충청광역연합, 내실화 숙제
"내년부터 10조 지원" 할 일 많아진 충청광역연합, 내실화 숙제

6·3지방선거로 충청권 광역단체와 의회가 확 바뀌면서, 충청광역연합의 향방에도 관심이 쏠린다. 올 들어 대전시와 충남도의 행정통합 추진으로 결속력이 흔들렸으나 끝내 통합이 무산되면서, 광역연합의 역할이 오히려 부각되고 있는 양상이다. 여기에 내년부터 10조 원 규모로 권역별 전략산업을 지원하는 초광역특별계정 적용안이 검토되면서, 연합체제의 역할이 크게 확대될 것으로 예상된다. 그런 만큼 연합과 연합의회의 내실을 다지는 것이 무엇보다 중요하다는 지적이 나오는데, 현재로선 연합장과 연합의회 원구성 인선이 이목을 끌고 있다. 19일 충청..

실시간 뉴스

지난 기획시리즈

  • 정치

  • 경제

  • 사회

  • 문화

  • 오피니언

  • 사람들

  • 기획연재

포토뉴스

  • 여름철 풍수해 대비 장비 점검 여름철 풍수해 대비 장비 점검

  • 수족구 예방…‘꼼꼼하게 손 씻어요’ 수족구 예방…‘꼼꼼하게 손 씻어요’

  • 접시꽃에 담긴 여름 접시꽃에 담긴 여름

  • 임직원들이 함께 즐기는 월드컵 임직원들이 함께 즐기는 월드컵