고속 충전에도 오래 쓰는 배터리 음극 소재 개발

UNIST·고려대·KIST 연구팀, 흑연·곡면 나노그래핀 하이브리드 음극 소재 개발
리튬이온 통로 확보, 빠른 충전에도 성능 오래 유지… Adv. Funct. Mater.게재

전기차나 스마트폰 배터리를 반복해 고속 충전하면 수명이 줄어들 우려가 있는데, 이러한 걱정을 덜어낼 수 있는 배터리 음극 소재를 국내 연구진이 개발했다.

UNIST 에너지화학공학과 강석주 교수, 고려대학교 곽상규 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 안석훈 박사 연구팀은 흑연과 유기소재를 섞어 고속 충전을 반복해도 성능을 유지하는 하이브리드 음극 소재를 개발했다고 24일 전했다.

연구진, (왼쪽부터) 강석주 UNIST 교수, 차현지 UNIST 연구원(제1저자), 안석훈 KIST 박사, 곽상규 고려대 교수. UNIST 제공

배터리 충전은 리튬이온이 전자와 만나 음극 소재 안에 리튬 원자로 저장되는 과정이다. 고속 충전 시에는 리튬이온이 음극 내부로 미처 들어가지 못하고 표면에 금속 리튬 형태로 쌓이는 이른바 '데드 리튬(dead lithium)'이 더 많이 생길 수 있는데, 데드 리튬은 다시 쓰이지 못해 용량을 줄이고, 배터리 수명도 짧아진다.

연구팀이 개발한 하이브리드 음극은 이러한 문제를 해결할 수 있는 구조로 설계됐다. 상용 음극 소재인 흑연 입자(MCMB)가 곡면 나노그래핀(Cl-cHBC) 적층 안에 고르게 분포된 형태다. 활처럼 비틀린 형태의 곡면 나노그래핀은 적층 시 층간 간격이 넓고 나노 크기의 공간이 많아 리튬이온이 드나드는 속도가 빠르다.

두 소재가 1:1 비율로 고르게 섞이면, 리튬이온은 곡면 나노그래핀 층에 먼저 들어가고 흑연으로 이동하는 '순차 삽입' 과정을 거치게 된다. 이 과정 덕분에 고속 충전 조건에서도 데드 리튬이 생기지 않고, 빠른 충전과 긴 수명을 동시에 확보할 수 있었다. 이는 이론 시뮬레이션과 계산을 통해서도 입증됐다.

소재 단위 성능 실험에서, 이 하이브리드 음극은 고속 충전 조건(4 A g?¹)에서 기존 흑연보다 4배 이상 높은 용량을 기록했다. 순차 삽입 경로를 통해 더 많은 리튬을 음극 안에 저장할 수 있기 때문이다.

또 전기차용 단결정 NCM811 양극과 결합해 성능을 검증한 결과, 1000회 이상 충·방전을 반복해도 초기 용량의 70%를 유지했다. 실제 파우치셀로 제작했을 때도 2100회 이상 안정적으로 작동했으며, 충·방전 효율(Coulombic efficiency)은 99%에 달했다.

공동연구팀은 "단순한 공정으로 기존 배터리 음극 제조 인프라와 호환 가능하고, 곡면 나노 그래핀의 화학 구조 확장성을 활용하면 리튬전지뿐만 아니라 나트륨 전지 음극 개발로도 이어질 것"이라고 설명했다.

연구팀은 이어 "이번 연구에서 밝혀진 순차 삽입 과정은 빠른 충전과 장기 안정성을 동시에 확보할 수 있는 차세대 음극 설계 전략으로도 활용될 수 있을 것"이라고 덧붙였다.

개발된 하이브리드 음극(중앙)의 구조과 리튬 순차 삽입 개념도.

연구 결과는 재료 분야 세계적 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 9월 11일 온라인 공개됐다.

연구 수행은 한국연구재단(NRF), 울산과학기술원(UNIST), 과학기술사업화진흥원(COMPA)의 지원을 받아서 이뤄졌다.

영남취재본부 김철우 기자 sooro97@asiae.co.kr