에너지연, 혹한 견디는 이차전지용 하이브리드 전극 소재 개발

전기차·드론·초소형 전자기기 등 다양한 분야서 활용

금속-유기 구조체 (SKIER-5)의 결정 구조. (에너지연 제공)/뉴스1

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 혹한에도 끄떡없는 이차전지용 하이브리드 전극 소재를 개발했다. 이는 상온에서만 안정적으로 작동하는 기존 이차전지의 단점을 극복한 것으로 전기차, 드론, 초소형 전자기기 등 다양한 분야에서 활용될 전망이다.

한국에너지기술연구원은 영하 20도의 혹한에서도 안정적으로 작동하는 이차전지용 금속-유기 하이브리드 전극 소재를 개발했다고 13일 밝혔다.

에너지연 유정준·김현욱·임강훈 박사 연구진은 티안트렌 기반의 유기 리간드와 니켈 금속이온을 조합해 전도성 금속-유기 구조체 ‘SKIER-5’를 개발했다. 이를 적용한 이차전지 음극재는 영하의 환경에서 흑연보다 5배 높은 방전 용량을 나타냈다.

SKIER-5를 적용한 음극의 방전 용량은 상온의 환경에서 흑연 전극(375 mAh/g)보다 높았으며(440 mAh/g) 1600번의 충·방전 후에는 1.5배가량 증가(600 mAh/g)했다. 일반적으로 충·방전을 반복할수록 방전 용량이 줄어드는 것과 비교하면 매우 이례적인 결과다.

연구진은 포항가속기연구소의 X-선 구조 분석을 통해 이온의 산화 환원 반응이 용량 증가를 일으킨다는 것을 확인했다.

특히 SKIER-5는 영하 20도의 환경에서도 흑연에 비해 5배 높은 방전 용량(150 mAh/g)을 나타냈다. 이는 흑연보다 화학 반응을 일으키는 데 필요한 에너지의 최소치가 낮아 전반적인 반응이 위축되는 저온 환경에서도 안정적인 성능을 나타낼 수 있게 된 것이다.

한국에너지기술연구원 유정준·김현욱·임강훈 박사가 계산과학을 통한 SKIER-5의 성능검증 연구를 하고 있다.(에너지연 제공)/뉴스1

유정준·김현욱·임강훈 박사는 “SKIER-5는 전지 산업에 핵심적인 역할을 할 수 있는 원천 소재로, 기존 음극재로 사용되는 흑연보다 저온 환경에서 안정적 구동이 가능해 특수 목적의 전지 분야에 응용될 수 있다”며 “특히 혹한기에도 안정적인 군사 임무 수행이 가능해 온도 변화가 급격한 환경에서 자동차, 에너지저장장치(ESS), 정보통신기기 등에 널리 사용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구 결과는 재료과학 분야의 세계적인 학술지 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이’에 지난달 12일 게재됐다.

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