12분 만에 80% 충전 신개념 음극재 소재 개발 성공

경북대 전상은 금속재료공학과 교수팀
널리 쓰이는 흑연 음극재 대신에
얇고 속이 빈 이산화티타늄 소재 개발해
저용량·낮은 이온전도도 문제 해결 성공

전상은(왼쪽) 교수, 현창완 석사과정생.

전기차 보급 확대의 걸림돌 중 하나로 충전속도가 꼽힌다. 완속 충전기로는 몇시간, 급속충전기도 80%를 채우는 데 20~30분은 걸린다. 게다가 급속충전을 자주 하면 전극에 나뭇가지모양의 결정이 생겨 수명을 짧게 할 수 있는 덴드라이트 현상이 생기기도 쉽다고 알려져 있다.

경북대 금속재료공학과 전상은 교수팀이 12분 안에 배터리 용량 80%를 충전하면서도 안정적이고 수명이 긴 리튬이온 배터리용 음극 소재 기술을 개발했다.

전 교수팀에 따르면 현재 상용화한 흑연 음극재는 고속 충전 시 리튬이온이 음극 안에 다 들어가지 못하는 리튬 플레이팅과 덴드라이트 형성으로 인한 폭발이나 화재를 일으킬 수 있다. 고속 충·방전에 따른 전극의 변형으로 인해 수명이 급격히 짧아지는 단점도 있다.

전 교수팀은 흑연 대신 매우 안정한 화합물인 이산화티타늄(TiO2)으로 새로운 해결책을 제시했다. 하지만 기존 이산화티타늄은 이온 전도도가 낮고, 용량이 적다는 게 문제였다. 전 교수팀은 속이 빈 구형 구조의 TiO2 음극재를 설계하고, 나노 크기의 TiO2 입자와 구형 탄소 입자의 혼합비를 조절하는 간단한 합성 기술로 속이 빈 TiO2의 두께를 제어했다.

이를 통해 속이 빈 TiO2 구조의 두께를 얇게 조절해 리튬 이온의 느린 확산 문제를 획기적으로 개선해 초고속 충전 가능성을 입증했다. 배터리 충방전 실험에서 12분 내 용량의 80%를 충전할 수 있는 성능을 확인했다. 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 소재가 될 것”이라며 “이 기술이 상용화하면 전기차 충전을 위해 수십 분의 시간을 기다릴 필요가 없어질 것”이라고 기대했다.

이번 연구의 교신저자는 전상은 교수, 제1저자는 같은 학과 현창완 석사과정생이다. 연구 결과는 저널인용보고서(JCR) 상위 0.3% 학술지인 ‘컴포지트 파트 B: 엔지니어링(Composites Part B: Engineering)’ 8월 10일자에 발표됐다.

정광진 기자 kjcheong@hankookilbo.com