▲ 은 나노입자가 매몰된 리튬인산망간산화물 전극소재 구조 개념도.

국내 연구진이 리튬이차전지의 차세대 양극소재로 주목받고 있으나 낮은 전기전도도로 인해 상용화의 어려움을 겪고 있는 리튬망간인산에 은 나노입자를 첨가해 문제를 해결했다.

포항가속기연구소 안도천 박사(교신저자)와 이국승 박사(제1저자) 등은 리튬망간인산화물(LiMnPO4) 전체질량의 1%에 해당하는 미량의 은을 첨가하고 합성 공정이 단순한 고상법을 이용해 은 나노입자가 들어간 리튬망간인산 양극소재를 합성하는데 성공했다.

리튬망간인산화물 양극소재는 현재 리튬이차전지용 양극소재로 상용화된 리튬철인산화물(LiFePO4)과 같은 구조를 가지고 있지만 높은 작동 전위 때문에 에너지밀도가 높아 효율성이 우수하다. 그러나 전기전도도가 리튬철인산화물보다 100배 이상 낮아 양극소재로서의 용량과 출력이 매우 낮기에 양극소재로 관심 받지 못했다.

연구진은 전기전도도가 가장 높은 금속에 속하는 은을 첨가해 전기전도도가 매우 낮은 리튬망간인산화물 결정들 사이에 ‘전도 다리’ 역할을 하는 구조를 갖게 되자 전기전도도가 1만배 향상됐음을 증명한 것.

전기화학특성을 평가한 결과 같은 합성법으로 기존에 보고된 리튬망간인산화물보다 고출력, 고용량, 고수명 특성을 나타냈다. 특히 6분 내로 방전을 시켰을 때 100배 이상 빠른 고출력을 보였다.

또한 기존에 인산계산화물의 전기전도도를 높이기 위해 코팅하거나 혼합하여 활용되던 카본보다 본 연구에서 사용한 미량의 은이 전기전도도를 더욱 크게 향상시켜, 단위 부피당 에너지밀도가 높은 것으로 나타났다.

안도천 박사는 “이번 성과는 전기전도도가 낮았던 리튬망간인산화물에 미량의 은을 첨가하여 전기전도도를 획기적으로 높임으로써, 리튬이차전지용 양극소재로 상용화될 수 있는 가능성을 열었다”며, “전기자동차, IT, 에너지 저장 분야 등에 활용될 수 있는 차세대 리튬이차전지 개발에 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

한편 이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 지원하고 있는 이공학개인기초연구지원사업을 통해 수행됐으며 연구결과는 나노스케일(Nanoscale) 7월7일자 온라인에 게재됐고 최신호 내부 표지논문에 선정됐다.