KIER, 이차전지 단점 해결…"전기차 배터리 혹한에도 끄떡없어요"

금속-유기 하이브리드 전극 소재 개발…드론 등 적용 가능

(지디넷코리아=박희범 기자)지난 겨울 한파가 몰아 쳤을 때 전기차가 가장 애를 먹었다. 배터리 저장 성능이 뚝 떨어져 시동 걸기도 어려웠다.

한국에너지기술연구원(KIER)은 영하 20도 혹한에서도 잘 작동하는 이차전지용 금속-유기 하이브리드 전극 소재를 개발했다고 13일 밝혔다.

상온에서만 안정적으로 작동하는 기존 이차전지의 단점을 해결했다. 향후 전기차, 드론, 초소형 전자기기 등 다양한 분야에서 활용 가능할 전망이다.

한국에너지기술연구원 연구진들이 SKIER-5 성능을 검증했다.(사진=KIER)

현재 리튬 이차전지 음극 소재로 흑연을 가장 많이 쓴다. 구조도 안정적이고, 가격도 저렴하다.

그러나 흑연 음극으로 구성된 이차전지는 기온이 영하로 떨어지면 저장 용량이 급격히 줄어든다. 또 충전 과정에서 음극 표면에 덴드라이트(나뭇가지처럼 길쭉하게 쌓이는 일부 리튬)를 형성하고, 분리막을 뚫어 열폭주와 폭발 우려가 생긴다.

에너지연 유정준·김현욱·임강훈 박사 연구팀은 이에 티안트렌 기반의 유기 리간드와 니켈 금속이온을 조합하는 방법으로 전도성 금속-유기 구조체 ‘SKIER-5’를 개발했다.

유정준 박사는 "'SKIER-5'를 적용한 이차전지 음극재는 영하에서 흑연보다 5배 높은 방전 용량을 나타냈다"고 설명했다.

'SKIER-5'를 적용한 음극의 방전 용량은 상온에서 흑연 전극(375㎃h/g) 대비 (440

㎃h/g)보다 높았다.

1천600번의 충·방전 후 배터리 저장양은 되레 1.5배 가량 증가(600 ㎃h/g)했다. 일반적으로 충·방전을 반복할수록 방전 용량이 줄어드는 것과 비교하면 매우 이례적인 결과다.

티안트렌과 니켈 이온의 산화반응으로 개발한 SKIER-5(왼쪽부터 티안트렌, 니켈, SKIER-5)

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

탄소로 구성된 흑연과 달리 니켈 이온과 헤테로 원소(질소, 인 등)를 포함한 유기 구조체는 리튬 이온과 상호작용해 전자가 이동하는 산화 환원 반응이 일어난다.

이 과정을 거치며 더 많은 전자를 품게 됨에 따라 방전 용량이 증가하는 원리다.

김현욱 박사는 "'SKIER-5'는 영하 20도의 환경에서도 흑연에 비해 5배 높은 방전 용량(150 ㎃h/g)을 나타냈다"며 "흑연보다 화학 반응을 일으키는 데 필요한 에너지의 최소치가 낮아 전반적인 반응이 위축되는 저온 환경에서도 안정적인 성능을 나타낼 수 있게 됐다"고 말했다.

임강훈 박사는 “혹한기 상황에서도 안정적인 군사 임무 수행이 가능해 온도 변화가 급격한 환경에서 자동차, ESS, 정보통신기기 등에 널리 사용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

금속-유기 구조체(SKIER-5)의 리튬 흡착 위치(상)와 충방전 경로 예측 (하).

연구팀은 현재 극저온 환경에서 안정적으로 구동될 수 있는 민군 겸용 배터리 개발 연구를 기획 및 연구 중이다.

이 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업과 한국에너지기술연구원 기본사업, 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업의 지원을 받았다.

성과는 재료과학 분야 국제 학술지 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이’(Journal of Materials Chemistry A, IF 10.7)의 표지 논문으로 선정됐다.

박희범 기자(hbpark@zdnet.co.kr)