“12분만에 80% 충전” 경북대, 충전속도 대폭 단축한 리튬이온 배터리용 음극소재 개발

경북대학교는 전상은 금속재료공학과 교수팀이 12분 안에 배터리를 80% 충전 가능한 리튬이온 배터리용 음극 소재 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.

현재 상용화된 흑연 음극재는 고속 충전 시 리튬 플레이팅과 덴드라이트 형성으로 인한 폭발이나 화재 가능성이 있다. 특히 고속 충·방전에 따른 전극의 변형으로 인해 수명이 급격히 짧아지는 단점도 있다. 고속 충전 환경에서도 안정성을 보장하고, 긴 수명을 갖는 대체 음극재 개발이 절실하다.

전상은 경북대 금속재료공학과 교수(왼쪽)와 현창완 석사과정생

중공 구조 TiO2 음극재 합성의 개략도(가)와 고속 충·방전 원리(나)

연구팀은 매우 안정한 화합물인 이산화티타늄(TiO2)으로 새로운 해결책을 제시했다. 기존 TiO2 음극재는 이온 전도도가 낮고, 용량이 작은 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 속이 빈 구형 구조의 TiO2 음극재를 설계하고, 나노 크기의 TiO2입자와 구형 탄소 입자의 혼합비를 조절하는 간단한 합성 기술을 개발해 속이 빈 TiO2의 두께를 제어했다.

연구팀은 이를 통해 속이 빈 TiO2 구조의 두께를 얇게 조절해 리튬 이온의 느린 확산 문제를 획기적으로 개선하며, 초고속 충전 가능성을 입증했다. 배터리 충·방전 실험에서 12분 내 용량의 80%를 충전할 수 있는 성능을 확인했고, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 리튬이온이 속이 빈 구조 내에서 효율적으로 이동한다는 사실도 증명했다.

전상은 교수는 “이번에 개발된 속이 빈 구형 TiO2 음극재는 리튬이온의 이동을 효율적으로 개선한 안전하면서도 초고속 충전이 가능한 소재”라면서 “기술이 상용화된다면, 전기차 충전을 위해 수십분의 시간을 기다릴 필요가 없어질 것”이라고 밝혔다.

이번 연구의 교신저자는 전상은 교수, 제1저자는 같은 학과 현창완 석사과정생이다. 연구 결과는 최근 저명 학술지인 '컴포지트 파트 B: 엔지니어링(Composites Part B: Engineering)' 에 발표됐다.

대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com