오래 쓰고 급속충전 가능한 리튬이온전지 소재 찾았다

급속 충·방전 반복 99% 성능 유지…전기차·드론 등 전원

최근 국내 연구진이 고속 충전이 가능하고, 장시간 사용해도 고용량, 고출력을 유지하는 리튬이온전지용 음극 신소재를 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 이중기 에너지저장연구단 박사팀이 급속 충, 방전 조건하에서도 고용량, 긴 수명이 가능한 신개념 리튬이차전지 음극 소재를 개발했다고 2일 밝혔다.

리튬이온전지는 밀도가 높아 무게가 가볍고 고용량의 전지를 만드는데 유리해 전기자동차용 전원으로 개발되고 있다.

그러나 주유시간에 비해 상대적으로 매우 긴 충전시간, 그리고 반복되는 충·방전 과정을 거치면 원래 지니고 있는 성능이 현격하게 감소되는 문제가 있다.

따라서 산업계에서는 급속충전이 가능하고 오랫동안 성능저하 없이 사용될 수 있는 우수한 효율의 소재 개발이 요구돼 왔다.

KIST 연구진은 우선 열 증발, 증착 장치를 사용해 우수한 탄성을 지니는 플라즈마 중합 탄소구조체를 제조했다. 이와 동시에 화학증착방법을 이용해 수 나노크기로 주석입자를 균일하게 분산시켰다. 연구진은 위와 같이 두 개의 복합공정을 이용해 새로운 이차전지 소재를 제조했다.

이 소재는 우수한 탄성을 지녀 충, 방전 시 발생되는 부피팽창을 극복할 수 있다. 또 나노 분산된 주석 입자 주위에 형성된 산화주석막과 플라즈마 중합된 탄소구조체 사이에 형성된 반도체 접합 구조 계면은 전극 내에 전하가 걸려있을 때 이동되는 리튬이온과 전자의 이동속도를 가속해 고출력, 고용량이 가능해진다.

(a) Sn-PC60 전극의 구조 및 자가완화특성에 대한 모식도 (b) 충, 방전과정 중 금속/n-type반도체(a-SnO2)/p-type반도체(PC60)구조에서의 전자이동에 대한 모식도 및 에너지도표

이 원리를 전지에 적용하면 충·방전 시 단위 시간 당 이동되는 리튬이온의 속도를 올리면서도 계면저항을 최소화해 급속충전 상태에서도 장시간 고용량 상태를 유지시킬 수 있다.

실제 본 연구를 통해 개발된 리튬이온전지용 음극재는 충·방전 시간 50분으로 약 5천회를 반복해도 기존 이차전지 대비 약 3배 수준인 97.18%의 성능을 유지했다.

또 급속 충·방전 시간인 4분으로 실험했을 때, 기존 이차전지 대비 1.5배의 성능을 보였다. 충, 방전 350회의 반복에도 99% 이상의 성능 유지를 나타내는 현상을 실험적으로 확인했다.

이중기 KIST 박사는 “이번 연구에서 개발된 반도체 접합 구조 계면특성을 가진 리튬이차전지 음극재 합성 기법 및 개선 방안은 차세대 급속 충전용 전기자동차 및 무선이동원인 드론, 근력증강 로봇 등의 전원설계에 응용 가능하고, 다른 무선 이동원의 핵심 디바이스 설계에도 새로운 접근방법을 제시할 것으로 전망된다“고 밝혔다.

이번 연구 결과는 국제 학술지인 ‘ACS 나노’ 최신호에 온라인 게재됐다.