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(왼쪽부터) 박수진 포스텍 화학과 교수, 최성호 첨단재료과학부 박사, 한동엽 화학과 박사 . 포스텍 제공.

전기차 등에 쓰이는 배터리를 기존보다 빠르게 충전하면서 에너지 효율까지 높일 수 있는 기술이 개발됐다. 

포스텍은 박수진 화학과 교수, 최성호 첨단재료과학부 박사, 한동엽 화학과 박사 연구팀이 송규진 한국에너지기술연구원 연구원 연구팀과 차세대 배터리 음극 소재를 개발하고 연구 결과를 국제학술지 ‘ACS 나노’에 게재했다고 16일 밝혔다. 

전기차 등에 들어가는 리튬이온전지의 음극으로 흑연이 주로 사용된다. 흑연은 내구성이 뛰어나지만 낮은 이론 용량(이상적인 용량)과 느린 충·방전 속도가 한계다. 이를 극복하기 위해 연구팀은 ‘하드카본’과 ‘주석’을 결합한 새로운 전극 설계 전략을 제안했다. 

하드카본은 탄소 원자들이 무질서하게 얽힌 구조다. 내부에 크고 작은 통로가 많아 리튬이나 나트륨 이온이 이동하기 쉬워 빠른 충전과 높은 에너지 저장이 가능하다. 구조적으로도 단단해 반복적인 충·방전을 잘 견딘다. 

규산염 광물인 주석은 에너지 저장에 관여하는 활물질로 작용하고 하드카본 결정화를 유도하는 촉매 역할을 수행한다. 주석 입자가 작을수록 충·방전 중 발생하는 부피 팽창 위험이 줄어든다. 주석을 작은 입자로 만드는 데 기술적 어려움이 있다. 주석의 녹는점은 약 230°C로 낮은 편이기 때문에 열처리 시 입자가 쉽게 녹는다. 

연구팀은 솔-젤(sol–gel) 공정과 열 환원 과정을 도입해 수 나노미터 크기의 주석 입자를 하드카본 내부에 균일하게 분산시키는 데 성공했다. 주석 나노입자는 낮은 온도에서 고결정질 카본이 형성되도록 만들었고 충·방전 과정에서는 리튬 이온과 반응해 주석-산소 결합을 재형성하면서 배터리 용량을 높였다. 

하드카본-주석 나노 입자 복합 음극의 리튬이온전지와 나트륨이온전지에서의 거동. 포스텍 제공.

연구팀이 개발한 전극은 리튬이온전지 급속 충전(20분) 조건에서 1500사이클 이상 안정적인 성능을 유지했고 기존 흑연 음극 대비 약 1.5배 높은 에너지 밀도를 보였다. 고출력과 고에너지 특성을 동시에 구현하고 수명 안정성까지 확보한 것이다. 

연구팀의 전극은 리튬이온전지뿐만 아니라 나트륨이온전지에서도 우수한 성능을 보였다. 나트륨 이온은 흑연이나 실리콘과의 전기화학 반응성이 낮지만 하드카본-주석 나노 복합 구조와는 빠르게 반응하면서도 높은 안정성을 유지했다. 

박 교수는 “차세대 고성능 배터리 개발의 새로운 이정표를 제시했다“며 ”전기차, 대규모 에너지저장시스템 등 응용 분야에서의 활용이 기대된다“고 말했다. 

송 연구원은 “고출력·고안정성·고에너지밀도를 동시에 구현하는 복합 전극 개발과 나트륨이온전지로의 확장성은 이차전지 음극 시장에 획기적인 전환점이 될 것”이라고 전했다. 

<참고 자료>
doi.org/10.1021/acsnano.5c00528

[문세영 기자 moon09@donga.com]

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