한기대 연구팀, ‘신개념 이차전지용 하이브리드 음극’ 개발

기존 이차전지 보다 두 배 높은 에너지 밀도
‘이차전지 대량생산‘ 적용 가능

한국기술교육대학교(총장 유길상)는 에너지신소재화학공학부 김석준 교수 연구팀이 ‘신개념 이차전지용 하이브리드 음극 개발’에 성공했다고 22일 밝혔다.

이번 연구는 고에너지 밀도 이차전지의 음극 구조 설계와 디자인에 새 기준을 제시할 것으로 기대된다.

한기대에 따르면 현재 이차전지에 사용되는 흑연 음극 대신 리튬 메탈이 사용된 전지 또는 흑연이나 리튬 메탈이 없는 무음극 이차전지 연구가 활발히 진행 중이다. 이차전지의 무게·부피를 줄여 에너지밀도를 높이기 위해서다.

하지만 충전 시 리튬이 음극에 불균일하게 증착해 전기화학적 안정성이 매우 떨어지며 상용화에 부족한 상태다.

연구팀은 음극활물질인 흑연과 구리 집전체가 혼합돼 단일 구조체로 형성된 ‘다공성의 하이브리드 음극 구조’를 제시했다.

연구팀이 개발한 하이브리드 음극은 구조적으로는 90% 구리 분말과 10%의 흑연 분말 및 지르코늄 산화물이 혼합된 복합체다.

기능적으로는 흑연 음극의 층간 삽입(intercalation) 반응과 무음극의 증착(deposition) 반응 기전이 동시에 작동하는 특징을 갖고 있다.

기존 음극 대비 흑연은 3분의 1만 사용하지만, 용량 및 수명은 기존 음극 대비 월등히 향상됐다. 부피 에너지 밀도도 흑연 음극을 사용한 이차전지 대비 약 2배 향상했다.

김석준 교수는 “기존 흑연 음극보다 우수한 성능을 가지면서 에너지 밀도를 향상한 연구 결과”라며, “이차전지의 대량 생산에도 즉시 적용할 수 있는 것으로 기대된다”고 설명했다.

한국연구재단 개인기초연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 재료공학 분야 국제 학술지 Advanced Functional Materials에 7월 22일 자로 온라인 게재됐다. 논문명은 ‘Fabrication of a Porous Copper/Graphite/Zirconium Oxide Hybrid Anode via Screen Printing for Lithium-Ion Batteries’이다.

천안 이종익 기자