300회 충·방전에도 성능 유지...광운대, 고성능 그래핀 배터리 소재 개발

rGO와 LIG 혼합한 고밀도 3차원 그래핀 시트 제작
충·방전 300회 후 635mAh/g 유지...풀 셀에서도 93% 성능
"고속 충전과 긴 수명...두 마리 토끼 모두 잡았다"

심준섭 광운대 전자융합공학과 교수(왼쪽)와 마흐부부르 라흐만(M. Mahabubur Rahman) 박사./사진제공=광운대

광운대학교는 최근 심준섭 전자융합공학과 교수 연구팀이 고용량과 장수명 특성을 동시에 구현한 리튬 이온 배터리 음극 소재를 개발했다고 2일 밝혔다.

심 교수팀은 환원 그래핀(reduced Graphene Oxide, rGO)과 레이저 유도 그래핀(Laser-Induced Graphene, LIG)을 혼합해 고밀도 3차원 구조를 가진 그래핀 시트를 제작했다. 이 구조는 전기 전도성과 기계적 안정성을 극대화해 충·방전 중 발생하는 전극의 변형 및 손상을 최소화하고, 배터리의 성능 저하를 억제한다.

실험 결과, 개발된 그래핀 음극은 300회 충·방전 후에도 635mAh/g의 용량을 유지했으며, 쿨롱 효율(Coulombic Efficiency) 99%와 초기 용량의 91%를 달성했다. 상용화된 음극재와 비교해 높은 성능을 입증한 것이다. NCM811 양극재와 결합한 풀 셀에서도 100회 충·방전 후 93%의 용량을 유지했다.

기존 그래핀 기반 음극은 높은 표면적으로 인한 에너지 밀도 저하, 초기 비가역 용량 손실, 소재 응집 문제 등으로 실용화에 어려움이 있었다. 연구팀은 이러한 문제를 3차원 구조로 해결해 리튬 이온 배터리의 상용화 가능성을 높였다.

심 교수는 "그래핀은 고속 충전과 긴 수명을 동시에 구현할 수 있는 핵심 소재"라며 "이번에 개발한 3차원 그래핀 음극은 기존의 구조적 한계를 극복해 실사용 환경에서도 높은 성능을 유지할 수 있다는 가능성을 제시했다"고 말했다.

한편 이번 연구는 중기부의 '초격차 스타트업 1000+ 프로젝트'(DIPS 1000+)와 광운대 교내연구비 지원을 받아 수행됐다.

연구 결과는 'High density 3D-structured graphene for long-life and high energy density lithium-ion battery'라는 제목으로 에너지 저장장치 분야 국제학술지 'Journal of Power Sources'(IF=8.1, JCR Q1)에 게재됐다.

심준섭 광운대 교수팀의 연구자료 이미지./사진제공=광운대

권태혁 기자 taehkd@mt.co.kr