리튬 배터리의 수명 향상 해법
리튬 배터리의 수명 향상 해법
  • 강지희
  • 승인 2019.07.09 01:00
  • 조회수 1618
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

최근 차세대 에너지 저장 장치의 수요가 급증함에 따라 고성능ㆍ고효율 이차전지 개발이 가속화하고 있습니다. 리튬 이온 이차전지는 양극(+)과 음극(-)의 층 구조를 갖고, 이 층 사이를 리튬 이온이 이동하며 에너지를 저장합니다. 일반적으로 음극(-)에는 흑연(그래파이트)을 사용하는데요.

 

일반적으로 사용하는 흑연 음극은 이온을 계층에 삽입 및 탈리하는 방법으로 이온을 저장하지만 좁은 계면 간격과 더불어 이온 확산거리가 길어 전지의 성능이 저하될 수 있습니다. 최근 금속산화물 또는 유기물 기반 음극 물질들이 흑연의 대체제로서 연구되고 있지만 각각 낮은 전기전도도 또는 유기 전해액에 대한 높은 용해도로 인한 장수명 구동이 힘들다는 건 치명적인 단점입니다.

cHBC/플러렌 공결정체 형성 음극 제조 과정 모식도 및 전자 이동 메커니즘 제안도. 출처: KIST
cHBC/플러렌 공결정체 형성 음극 제조 과정 모식도 및 전자 이동 메커니즘 제안도. 출처: KIST

한국과학기술연구원 기능성복합소재연구센터 안석훈 박사팀과 울산과학기술원 에너지 및 화학공학부 강석주 교수 및 곽상규 교수팀이 공동 연구를 통해 전기 전도도가 좋은 유기물 반도체들을 합성해 리튬전지의 음극(-)으로 사용될 수 있는 물질을 개발했다고 합니다. <Advanced Functional Materials>에 게재된 논문에 따르면 연구팀은 전자가 잘 통할 수 있는 유기물 반도체인 컨톨티드 헥사벤조코로넨 (contorted hexabenzocoronene, cHBC)과 플러렌(fullerene) 물질의 공결정체 형성을 이용했다고 하는데요. 이를 통해 전도도를 높이기 위해 사용되는 도전재를 사용하지 않아도 높은 전기전도도를 보이는 리튬 이온 전지 음극을 제조하고 성능을 향상시킬 수 있다고 합니다.

 

어떻게 연구했는가

 

연구팀은 유기물 반도체인 공 모양의 '플러렌(fullerene)' 분자와 이를 잘 잡을 수 있는 글러브 모양을 가지는 '헥사벤조코로넨(hexabenzocoronene)'이라는 물질을 공결정체(cocrystal)로 형성시킴으로써 기존 유기물 음극(-) 소재의 단점이었던 낮은 전기전도도를 크게 높일 수 있었다고 합니다. 이 소재는 전기전도도가 높기 때문에 별도로 전도체를 혼합할 필요가 없어 제조 단가를 크게 낮출 수 있을 뿐만 아니라 기존 유기물기반 음극 전지의 수명을 크게 향상 시킬 수 있다는 장점을 가지고 있죠. 여기서 공결정체란 두 개 이상의 성분이 특정한 비율로 하나의 새로운 결정을 형성하는 것을 말합니다.

cHBC/플러렌 공결정체 구조의 다양항 방향 투영도와 cHBC/플러렌 공결정체 구조의 전면도, 평면도 및 측면도. 출처: KIST

연구팀은 cHBC와 플러렌의 공결정체 형성 음극을 제작하기 위해 PVDF 바인더와 활성 물질들을 섞어 슬러리를 제조, 구리 포일에 도포했습니다. 제조된 cHBC/플러렌 공결정체 음극은 공결정체 형성 및 결정도를 향상시키기 위해 비활성 가스 분위기에서 높은 온도로 열처리했다고 합니다.

 

제조된 cHBC/플러렌 공결정 형성 음극의 리튬이온전지 테스트를 위해 연구팀은 음극, 폴리머 분미락, 리튬 메탈 및 전해액을 포함하는 코인 형태의 이차전지를 제조했는데요. 전기화학 분석 결과 cHBC/프러렌 공결정 음극은 도전재를 사용하지 않고도 낮은 전자 이동 저항을 보였으며, 그 결과 초기 용량 320 mAh/g 정도의 높은 용량을 보였으며 더하여 3 A/g의 빠른 충전에서도 약 70 mAh/g의 성능을 성공적으로 확인했다고 합니다.

cHBC/플러렌 음극의 리튬 이차전지 특성 그래프. 출처: KIST

이에 더해 연구팀은 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 cHBC/플러렌 공결정 구조는 cHBC와 플러렌 물질이 번갈아 가며 기둥형 구조를 형성하는 것을 밝혀내, 이러한 특이한 구조가 음극의 전기 전도 성질을 높이는 역할을 한다는 것을 밝혀냈습니다.

 

앞으로의 전망

안석훈 박사. 출처: KIST
안석훈 박사. 출처: KIST

KIST 안석훈 박사는 "개발된 공결정성 물질은 기존 유기물 전극의 문제점인 낮은 전도성을 해결할 수 있는 새로운 방법을 제시할 뿐만 아니라 차세대 이차전지인 소듐전지에도 활용될 수 있어 후속 연구개발에 매우 중요한 연구 결과"라고 밝혔습니다.

 

##참고자료##

 


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.

  • 충청남도 보령시 큰오랏3길
  • 법인명 : 이웃집과학자 주식회사
  • 제호 : 이웃집과학자
  • 청소년보호책임자 : 정병진
  • 등록번호 : 보령 바 00002
  • 등록일 : 2016-02-12
  • 발행일 : 2016-02-12
  • 발행인 : 김정환
  • 편집인 : 정병진
  • 이웃집과학자 모든 콘텐츠(영상,기사, 사진)는 저작권법의 보호를 받은바, 무단 전재와 복사, 배포 등을 금합니다.
  • Copyright © 2016-2019 이웃집과학자. All rights reserved. mail to contact@scientist.town
ND소프트