리튬이온전지 전극 3D 구조로 만들자 전지 성능 2배 향상

안성필 성균관대 교수 연구진

지난 8월 1일 인천 서구 청라동의 한 아파트 단지 지하주차장에서 발생한 전기차 화재 사고 현장. 성균관대 연구진은 유연하면서도 성능을 높인 리튬이온전지용 전극 제작 공정을 개발했다./뉴스1

국내 연구진이 화재 위험성이 낮은 리튬이온전지 전극 기술을 개발했다. 전극을 3차원(D) 공정으로 만들어 성능과 내구성을 함께 개선했다. 연구진이 개발한 전극은 유연성도 우수해 웨어러블 장치처럼 다양한 형태로 사용하는 전자제품에 적합하다.

안성필 성균관대 성균나노과학기술원(SAINT) 교수가 이끄는 연구진은 미세섬유를 이용해 에너지 밀도와 출력이 높으면서도 유연한 리튬이온전지를 개발했다고 11일 밝혔다.

리튬이온전지는 크게 양극재, 음극재, 전해질로 이뤄진 충방전이 가능한 이차전지다. 전지를 충전하면 리튬 이온이 음극에 저장되고, 방전될 때는 리튬 이온이 음극에서 양극으로 이동한다. 이 때 전자는 반대 방향인 양극에서 음극으로 이동한다. 전자의 흐름은 전류를 만들고, 전자제품을 작동하거나 전기차 모터를 돌리는 데 사용한다. 리튬이온전지는 가벼우면서도 에너지 밀도가 높아 스마트폰을 비롯한 휴대용 전자기기와 전기차에 주로 사용된다.

하지만 리튬이온전지는 외부 충격이 가해지거나 충전을 과하게 하면 화재 위험성이 높다는 문제가 있다. 대표적인 사례가 지난달 1일 인천 서구 청라동의 한 아파트에서 발생한 전기차 화재다. 벤츠 차량이 지하 주차장에 주차돼 있던 중 갑작스럽게 화재가 발생해 주변 차량 140대 가량이 피해를 입었다.

리튬이온전지는 평평한 2차원(D) 전극에 특정 소재를 코팅하는 방식으로 만들어진다. 이 경우 전극의 코팅이 두꺼워져 성능이 떨어지고 외부 충격에 약해 쇼트(단락)가 발생할 위험이 있다.

성균관대 연구진이 개발한 리튬이온전지용 3차원(D) 전극의 구조. 전기방사와 전기도금 기술을 이용해 미세섬유로 전극을 구현했다. 2D 전극보다 유연하면서도 성능이 우수하다./성균관대

성균관대 연구진은 이 같은 문제를 해결하기 위해 3D 초경량 전극을 개발했다. 전기방사와 전기도금 기술을 이용해 무게를 줄이면서도 안전성을 높였다. 전기방사는 고분자 용액에 전류를 흘려 두께 수㎛ 이하의 미세섬유를 만드는 기술이다. 이렇게 만든 미세섬유에 새로운 코팅 기술인 ‘정전기 스프레이 기술’을 도입해 3D 구조에서도 전극이 잘 코팅되도록 했다.

연구진이 개발한 3D 전극은 기존 2D 전극에 비해 무게는 4배 이상 가벼우면서도 반복적으로 힘을 가해도 성능이 거의 떨어지지 않는 것으로 나타났다. 전극과 전해질의 접촉 면적도 넓혀 전지의 성능을 결정하는 리튬 이온의 이동성과 전자의 이동 속도가 각각 6배, 4배 증가했다. 전지를 굽히거나 잘라도 성능을 그대로 유지할 정도로 유연성도 높은 것으로 나타났다.

연구진은 이번에 개발한 전극 공정을 활용하면 배터리 성능을 2배 이상 높일 수 있다고 분석했다. 유연성이 필요한 웨어러블 장치 같은 제품에 사용해 기존 기술의 한계를 극복할 수 있을 것이라는 기대도 내놨다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’에 지난달 13일 소개됐다.

참고 자료

Advanced Materials(2024), DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202407719

- Copyright ⓒ 조선비즈 & Chosun.com -