▲ 다공성 구조를 이용한 리튬이온 전지의 양극재 형상 설계 개념도.

국내연구진이 리튬이온전지의 성능을 결정하는 요인이 균일한 구멍에 있다는 사실을 밝혔다.

한국연구재단(이사장 조무제)은 김동철 서강대 교수 연구팀이 3차원 다공성구조 설계를 이용해 리튬이온 전지의 양극으로 손쉽게 오갈 수 있게 만들어 리튬이온 전지 사용시간을 향상시키거나 전기 저장 용량을 크게 늘릴 수 있는 가능성을 열었다고 최근 밝혔다

리튬이온전지는 에너지 저장능력이 높고 반복해서 사용할 수록 전지성능이 감소하는 현상이 적어 미래 전자장치의 에너지 공급원으로 많은 각광을 받고 있지만 고출력의 전지 사용조건에서는 급격이 전지 성능이 저하되는 단점이 있었다.

이에 김동철 교수연구팀은 전지의 양극을 구성하는 금속재료를 작은 구멍(공극)을 갖는 다공성 구조로 설계할 때 이들 구멍(공극)의 분포가 리튬이온 전지의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다는 사실을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 밝혔다.

다공성 구조로 양극재를 설계할 때 리튬이온 전지의 성능인 비용량이 크게 향상될 수 있었다. 또한 고출력 사용 조건에서의 비용량 손실은 다공성 구조의 양극재의 경우 기존의 단순 구형의 양극재를 사용했을 경우 대비 최대 98%까지 줄어들 수 있는 것으로 나타났다.

이와 함께 다공성 구조 설계에 있어 공극이 균일하게 분포하지 않으면 오히려 전지 성능 향상에 악영향을 끼칠 수 있음을 밝혔다.

공극이 특정 부위에 몰려 불균일한 분포를 갖는 양극재의 경우 공극률을 20%에서 40%로 증가시켰음에도 불구하고 비용량은 오히려 20% 감소하는 것으로 확인되었다.

특히 이 연구는 그 동안 실험 중심으로 수행된 리튬이온 전지 설계 연구를 최초로 다양한 양극재 형상에 대한 이론적 수학식을 만들어 시뮬레이션한 결과를 보고하였다는 점에서 주목된다.

이론연구에 기반한 컴퓨터 시뮬레이션이 이루어짐으로써 그동안 많은 비용과 시간이 요구되던 실험 중심 연구의 어려움이 해결되고, 간단하고 빠르게 리튬이온 전지의 성능 분석이 가능해졌다고 연구팀은 설명했다.

김동철 교수는 “이 연구는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 고성능의 리튬이온 전지를 만들 수 있는 미세구조 설계 기술을 개발한 것이다. 향후 자동차산업, 의료사업, 모바일산업 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

한편, 이 연구성과는 교육부·한국연구재단의 이공학개인기초연구지원사업, 학문후속세대양성사업 등의 지원을 받아 수행됐으며 국제적인 학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Report) 2월 13일자에 게재됐다.