리튬이온전지(lithium ion battery)는 밀도가 높아 무게가 가볍고 고용량의 전지를 만드는 데 유리해 전기자동차용 전원으로 개발되고 있습니다. 하지만 주유시간에 비해 상대적으로 매우 긴 충전시간, 그리고 반복되는 충·방전 과정을 거치면 원래 지니고 있는 성능이 현격하게 감소되는 문제가 있죠. 따라서 산업계에서는 급속충전이 가능하고 오랫동안 성능저하 없이 사용될 수 있는 우수한 효율의 소재 개발 필요성이 떠올랐습니다.
최근 국내 연구진이 고속충전이 가능하면서도 장시간 사용해도 고용량, 고출력을 유지하는 리튬이온전지용 음극 신소재를 개발했다고 합니다. 한국과학기술연구원(이하 KIST) 에너지저장연구단 이중기 박사팀은 이차전지 소재 설계에 있어서 반도체 접합 구조 계면을 형성해 급속 충·방전 조건하에서도 고용량, 장수명이 가능한 신개념 리튬이차전지 음극 소재를 개발한 겁니다.
KIST 연구진은 우선 열 증발·증착 장치를 사용해 아주 우수한 탄성을 지니는 플라즈마 중합 탄소구조체를 제조하고, 이와 동시에 화학증착방법을 이용해 수 나노크기로 주석입자를 균일하게 분산시켰습니다. 연구진은 이처럼 두 개의 상이하게 다른 복합공정을 바탕으로 새로운 개념의 이차전지 소재를 제조했죠.
이 소재는 우수한 탄성을 지녀 충·방전 시 발생되는 부피 팽창을 극복할 수 있고, 나노 분산된 주석 입자 주위에 형성된 산화주석막과 플라즈마 중합된 탄소구조체 사이에 형성된 반도체 접합 구조 계면은 전극 내에 전하가 걸려있을 때 이동되는 리튬이온과 전자의 이동속도를 가속시켜 고출력, 고용량이 가능하게 할 수 있습니다. 이 원리를 전지에 적용하면 충․방전 시 단위시간 당 이동되는 리튬이온의 속도를 증가시키면서도 계면저항을 최소화시켜 급속충전 상태에서도 장시간 고용량 상태를 유지시킬 수 있는 거죠.
실제로 본 연구를 통해 개발된 리튬이온전지용 음극재는 충·방전 시간 50분으로 약 5,000회를 반복하여도 97.18%의 성능(기존 이차전지 대비 약 3배)을 유지했습니다. 또한 급속 충·방전 시간인 4분으로 실험했을 때 기존 이차전지 대비 1.5배의 성능을 보였고, 충·방전 350회의 반복에도 99% 이상의 성능 유지를 나타내는 현상을 실험적으로 확인했죠.
KIST 이중기 박사는 "본 연구에서 개발된 반도체 접합 구조 계면특성을 가진 리튬이차전지 음극재 합성 기법 및 개선 방안은 차세대 급속 충전용 전기자동차 및 무선이동원인 드론, 근력증강 로봇 등의 전원설계에 응용 가능하다"며 "다른 무선 이동원의 핵심 디바이스 설계에도 새로운 접근 방법을 제시할 것으로 전망된다"고 밝혔습니다. 본 연구 결과는 국제 학술지 <ACS Nano> 최신호에 온라인 게재됐습니다.
