에너지 저장능력·안정성 높은 리튬이온 배터리 집전체 개발

기사내용 요약
고려대 조진한 교수팀, 계면 상호작용 기반 넓은 활성 면적·고전기전도성 확보
에너지기술연구원·DGIST·KBSI 김양수 박사 공동연구, 국제 학술지에 게재

[대전=뉴시스] 계면 상호작용 기반 전기화학적으로 활성화된 섬유형 전극 제작 방법 모식도. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 국내연구진이 협업을 통해 높은 에너지 저장 능력과 고안정성을 갖는 리튬이온 배터리 집전체 개발에 성공했다.

고려대학교 화공생명공학과 조진한 교수팀과 한국에너지기술연구원 김병현 박사팀, DGIST 고용민 박사팀, KBSI(기초과학지원연구원) 김양수 박사팀은 전기화학적으로 활성화된 섬유 집전체를 구현해 고에너지 저장 성능 및 높은 전기화학적 구동 안정성을 동시에 지닌 리튬이온 배터리용 텍스타일 집전체 전극 개발에 성공했다고 19일 밝혔다.

기존 상용화된 리튬이온배터리 음극은 평판 형태의 구리 포일(Cu foil)위에 에너지 저장 기능을 갖는 활물질을 코팅해 사용하고 있으나 구리 포일 자체의 에너지 저장 성능은 거의 무시될 정도로 미미해 집전체로만 사용됐다.

또 이런 구리 포일의 평판 구조는 활물질의 도입량을 증가시킬 경우 전극이 두꺼워지며 활물질 층 내의 전하/전자 이동의 한계로 성능발현에 제한이 뒤따랐다.

이번에 공동 연구팀은 계면 상호작용을 이용해 다공성 섬유 지지체에 탄소나노튜브와 금속 나노입자 기반의 전도성 박막을 도입하고 추가로 전기도금을 진행, 구리층을 섬유가닥 표면에 균일하게 코팅시켜 높은 비표면적과 전기전도성이 동시에 확보된 우수한 섬유기반 집전체를 개발했다.

또 산화과정을 거쳐 구리층 표면에 전기화학적 활성을 가진 구리-산화층(CuO, Cu2O)이 고르게 형성돼 전하 집전 능력과 우수한 에너지 저장성능을 발현할 수 있는 전기화학적 활성화된 섬유형 집전체를 확보했다.

연구팀은 "에너지 저장 성능의 추가적인 향상을 위해 음극용 활물질(LTO)을 추가적으로 코팅, 고에너지 밀도의 섬유형 에너지 저장 전극을 최종적으로 개발할 수 있었다"고 설명했다.

계면 상호작용 기반의 이 기술은 섬유의 다공성 구조를 유지하고 동시에 벌크 금속에 준하는 전기전도성을 확보할 수 있어 활성 면적을 극대화할 수 있고 구리-산화층 형성을 통한 에너지 저장 기능을 갖는 집전체와 LTO 나노입자의 시너지효과를 통해 높은 에너지 밀도를 구현할 수 있다.

이런 독특한 전극 설계는 기존에 보고된 다공성 집전체 전극들과 차별화되는 특성으로 기존 다공성 전극 대비 매우 높은 단위 면적당 방전 용량과 함께 높은 구동 안정성이 검증을 통해 확인됐다.

이번 연구성과는 재료과학 및 나노과학 분야 국제 학술지인 '에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials, IF=20.831)' 온라인판에 지난 10일 게재됐다.

제1저자인 고려대 화공생명공학과 용의주 연구원은 "이번 기술로 집전체 자체에서 높은 전기 전도도 뿐만 아니라 높은 에너지 밀도를 동시에 확보할 수 있다"며 "높은 축전용량을 요구하는 다양한 전기화학 소자의 플랫폼 기술로 기대된다"고 말했다.