“커피 한잔 마시는 사이 완충” ...포스텍, 고속 충전·고용량 배터리 음극재 개발

포스텍 연구팀이 전기차 충전시간을 대폭 줄일 수 있는 새로운 음극재 기술을 개발했다.

포스텍은 김원배 화학공학과·배터리공학과 교수와 화학공학과 강송규 박사 연구팀이 '망간(Mn)-철(Fe) 산화물' 음극재에 고극성의 불소화 계면층을 도입, 고용량·안정성을 갖춘 혁신적인 음극 소재를 개발했다고 26일 밝혔다.

김원배 포스텍 교수와 강송규 박사

최근 높은 용량과 안정성을 갖춘 배터리를 위해 '강자성 전환 음극재'가 주목받고 있다. 이 음극재는 배터리 충·방전 과정에서 금속 산화물이 나노 크기의 강자성 금속으로 변환되며 일반 음극재에 비해 더 많은 리튬 이온을 저장할 수 있다. 고에너지밀도 배터리를 구현할 잠재력이 있지만 비가역적 용량 손실, 불안정한 계면 형성, 낮은 전도도 등의 여러 한계를 안고 있다.

연구팀은 갈바닉 치환 반응을 이용해 망간(Mn)-철(Fe) 이종 산화물을 합성한 후 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)로 용액상 코팅을 진행하고, 탄화 과정(탄소로 구성된 고체 형태의 물질로 변환하는 과정)을 통해 고극성의 '불소화 탄소 계면층'을 만들었다.

이 소재는 불소의 강한 전기적 특성을 이용해 표면 극성을 높이고, 이를 통해 더 많은 리튬 이온을 저장할 수 있다. 또 강자성 전환 반응에서 발생하는 '스핀-분극화된 커패시턴스(spin-polarized capacitance)'를 극대화해 소재의 이론 용량을 초과하는 높은 용량을 구현한다. 그뿐 아니라 플루오린화 리튬(LiF)이 풍부한 고체 전해질 계면(SEI)을 실시간으로 형성해 전극 내 이온과 전자 전달을 촉진하고 내구성을 강화하며, 부피 변화로 인한 응력도 효과적으로 완화했다.

고극성 불소화 탄소층이 도입된 망간-철 산화물 음극재의 계면 공간 전하 저장 향상 및 안정적인 고체 전해질 계면 형성 모식도

그 결과, 약 3분 이내의 급속 충전 조건에서도 상용화 음극재 대비 최소 140% 이상 향상된 성능을 보였다. 300번의 급속 충·방전 사이클 후에도 92% 이상의 용량 유지율을 기록하며 안정성도 확보하는 데 성공했다.

김원배 교수는 “고극성 계면 제어 기술을 통해 고에너지밀도 음극재의 한계를 극복하고, 새로운 접근법을 제시했다. 전기차의 주행거리, 내구성, 충전 속도를 모두 향상시킬 중요한 기술적 기반이 될 것”이라고 했다.

과학기술정보통신부 한국연구재단 선도연구센터(ERC), 중견연구자지원사업 및 첨단산업특성화대학원지원(배터리) 사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 최근 우수성을 인정받아 재료공학 분야 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'의 앞표지(Front Cover) 논문으로 게재됐다.

포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com