국내 연구진이 급속 충전과 방전을 반복해도 고용량·장수명을 유지할 수 있는 리튬이온전지 음극 신소재를 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 이중기 박사팀은 3일 전기자동차와 휴대전화 등 각종 전자기기용 전원으로 사용되는 리튬이온전지의 효율과 안정성을 획기적으로 높일 수 있는 음극 신소재를 개발했다고 밝혔다.

리튬이온전지는 가볍고 에너지 밀도가 높아 고용량 전지를 만드는 데 유리하지만 충전시간이 길고, 충전·방전 과정을 반복할수록 전극의 안정성이 떨어져 성능이 현격히 저하되는 등 문제가 있다.

이 때문에 더 가볍고 에너지 밀도가 높으며, 급속충전이 가능하고 오랫동안 성능저하 없이 사용할 수 있는 우수한 효율과 안정성을 지닌 전지 소재 개발이 과제가 돼 왔다.

연구진은 이 연구에서 플라스마 중합과 열증착 방식으로 탄소원자로 이루어진 축구공 모양 분자인 풀러렌 중합체(PC60) 속에 산화주석(Sno₂)에 둘러싸인 주석(Sn) 나노입자를 고르게 분산시켜 우수한 탄성을 지닌 새로운 개념의 이차전지 음극 소재를 개발했다.

이 소재는 탄성이 우수해 충전과 방전 시 부피 팽창으로 인한 전극 불안정을 극복할 수 있고, 고르게 분산된 주석 나노입자와 산화주석, 풀러렌 중합체 사이에 형성된 반도체 접합 구조(p-n 접합) 계면은 전하가 걸려있을 때 리튬이온과 전자 이동속도를 올려 고출력, 고용량이 가능하다고 연구진은 설명했다.

연구진은 이 원리를 전지에 적용하면 충·방전 시 단위시간 당 리튬이온의 이동속도를 높이면서도 계면저항을 최소화해 급속충전 상태에서도 장시간 고용량 상태를 유지할 수 있다고 덧붙였다.

실제로 주석 50%와 풀러렌 중합체 50%로 만든 리튬이온전지용 음극재는 충·방전 시간 50분으로 약 5천회를 반복한 뒤에도 용량은 기존 리튬이온전지의 3배, 성능은 97.18%를 유지하는 것으로 나타났다.

또 급속 충·방전 시간을 4분으로 실험했을 때는 기존 이차전지 대비 1.5배의 성능을 보이면서 충·방전 350회 반복 후 99% 이상의 성능을 유지했다.

이중기 박사는 “반도체 접합 구조 계면특성을 가진 리튬이온전지 음극재 합성 기법과 개선 방안은 차세대 급속충전용 전기자동차, 드론, 근력증강 로봇 등의 전원설계에 응용할 수 있다”며 “이 방법이 다른 무선 이동원의 핵심 디바이스 설계에도 새로운 접근법을 제시할 수 있을 것”이라고 말했다.

한국연구재단 중견연구자사업과 KIST 기관고유사업 지원으로 수행된 이 연구 결과는 국제학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)에 게재됐다./연합뉴스