기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 연구팀이 힘세고 오래가는 배터리를 만들 신소재 개발에 성공했습니다. 개발된 신소재를 리튬이온전지의 전극으로 사용할 경우 기존 배터리의 한계를 극복하고 용량을 30% 이상 향상시킨 차세대 고용량 배터리 개발에도 박차를 가할 것으로 기대됩니다.
휴대용 전자기기와 전기자동차 등의 수요 증가로 고용량 배터리 개발이 절실히 필요합니다. 현재 대부분의 전자기기는 리튬이온전지를 배터리로 사용합니다. 리튬이온전지는 배터리를 사용할 땐(방전) 음극에 포함된 리튬이온이 양극으로 이동하여 양극 속으로 삽입되는 원리로 작동합니다. 충전 시에는 정반대의 반응이 일어납니다.
리튬이온전지의 용량을 높이기 위해서는 전극을 획기적으로 개선해야 하는데요. 과학자들은 이산화티타늄(TiO2)을 기존 흑연(탄소) 전극을 대체할 새로운 음극 소재로 지목하고 있습니다. 격자 구조를 가진 이산화티타늄은 격자 사이사이에 리튬을 저장할 수 있어 배터리 용량을 높이기에 최적화된 구조를 가지고 있기 때문입니다. 또 흑연에 비해 저렴하고 안정적인 동시에 친환경적이라는 장점도 있습니다. 하지만 이산화티타늄을 음극으로 구현한 기존 리튬이온전지의 용량은 이론상 용량의 절반 수준에 그친다는 점이 사용화의 걸림돌이 됐습니다.
현택환 단장, 성영은 부연구단장이 이끄는 연구팀은 수 나노미터(nm, 1nm는 10억분의 1m) 크기의 이산화티타늄 나노 입자를 이용해 기존 배터리의 용량 한계를 극복할 음극 소재로 최적화된 구조를 발굴했습니다. 우선 연구진은 나노 이산화티타늄 입자의 크기와 구조를 바꿔가며 다양한 구조를 합성했습니다. 이들을 제자리분석방법(in situ experiment)을 통해 관찰하며 합성된 각종 나노구조의 리튬이온 수송 과정을 분석해 최적의 구조를 찾아냈습니다. 참고로 제자리분석방법은 배터리 구동 환경을 분석기기 내부에 설치해 배터리를 구동하는 조건에서 시간에 따라 물질의 변화를 분석하는 방법입니다.
그 결과 수nm 크기 이산화티타늄 입자가 집합체로 모여 속이 빈 구 형태(hollow nanostructure)의 2차 입자를 형성할 때 가장 안정적이면서 효율적으로 리튬을 저장한다는 사실을 규명했습니다. 속 빈 구형태의 나노 이산화티타늄 구조가 넓은 표면에서 일어나는 리튬과의 화학적 반응은 최소화하면서 리튬이 내부로 삽입되는 반응의 비중을 키우기 유리하기 때문입니다. 화학적으로 안정적이면서 높은 용량을 내기에 최적화된 구조라는 의미입니다.
이어 연구팀은 이 나노 구조를 음극으로 적용한 리튬이온전지를 개발하고 포항방사광가속기에서 X선 분광 실험을 진행하며 미시적 구조와 배터리의 성능 사이 관계를 분석했습니다. X선 분광 실험은 복잡한 구조의 시료 내부에서 발생하는 현상을 실시간으로 분석할 수 있습니다. 개발된 배터리는 리튬이온 저장 성능을 30% 이상 향상시킬 수 있으며 500회 이상 충방전을 반복해도 고용량, 고출력 성능을 유지했습니다. 속 빈 구 형태의 나노 구조가 초과로 저장된 리튬을 효과적으로 안정화시키기 때문에 안정성을 오래도록 유지할 수 있는 것으로 나타났습니다.
이번 연구는 나노소재를 이용한 고성능 배터리 개발에 있어 기존 문제점과 한계를 극복하고 새로운 가능성을 제시한 것으로 평가됩니다. 특히 개발한 나노 구조를 배터리용 소재로 활용할 경우 리튬 저장 능력에 있어 월등히 높였으며 장기적으로 안정성을 유지했습니다. 연구팀은 개발된 배터리가 폭발 등 안전문제에서 자유로운 소재를 제작할 수 있는 방안을 제시한 것이라고 설명했습니다. 성영은 부연구단장은 "나노입자의 성능한계와 안정성, 안전 문제를 모두 해결할 수 있는 새로운 방향을 제시한 것"이라며 "이번 연구에서 개발된 구조는 이산화티타늄 뿐 아니라 모든 나노 입자에 적용 가능하다"고 말했습니다. 이 연구는 화학분야 최고 권위지인 <미국화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society)>에 게재됐습니다.
