▲ KRISS-건국대학교 공동연구팀이 개발한 리튬이온 배터리 내부 모습

국내 연구진이 차세대 리튬이온 배터리의 성능을 높이는 나노터널 소재를 개발해, 향후 음극소재 등 효율을 획기적으로 올릴 기술이 개발됐다.

한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박현민)은 소재융합측정연구소 EM나노메트롤로지팀과 건국대 김연호 교수 연구팀이 리튬이온 배터리의 초기 쿨롱 효율과 용량을 올린 산화철 나노구조체를 개발했다고 최근 밝혔다.

개발된 소재는 내부 기공이 일렬 정렬돼 나노터널 모양을 가지며 최근 쿨롱 효율(최근 충전 완료된 용량이 바로 그전 충전용량 대비 차지율)이 약 85.4%에 이르는 등 지금껏 발표된 산화철 가운데 가장 높다. 향후, 차세대 음극 소재활용 시 이차전지 성능향상에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

산화철을 비롯한 전이금속산화물은 충·방전에서 많은 개수의 리튬이온을 이용할 수 있어, 기존 흑연 보다 3~4배 큰 용량을 갖는다. 그러나 낮은 리튬이온도, 큰 부피변화, 낮은 초기 쿨롱 효율 등으로 실제 개발이 제한적이었다.

공동연구팀은 기존 산화철 리튬이온배터리의 단점인 낮은 쿨롱 효율을 극복했다. 산화철에서 리튬이온의 이동을 향상할 수 있도록 메조다공성 형상 소재를 만들었으며, 산화철 내부에서도 리튬이 잘 이동하도록 기공을 일렬 정렬해 나노터널을 만들었다. 터널과 표면의 기공들을 통해 리튬이온이 쉽게 이동해 기존 소재보다 전기화학적 특성이 월등히 향상됐다.

공동연구팀은 투과전자현미경과 포항가속기를 활용, 충방전에 다른 소재의 미세구조를 면밀히 분석해 초기 충방전과정에서 형성된 특정구조가 전기화학 반응에서 중요한 역할을 한다고 밝혔다.

KRISS 소재융합측정연구소 권지환 선임연구원은 “핵심은 기존 소재 단점을 개선하고 배터리 용량을 향상, 공동연구팀이 개발한 소재 구조가 좋은 특성을 나타내는 근거를 규명한 것”이라며, “성과를 응용해 다양한 리튬이온 배터리 소재가 개발돼 차세대 배터리 시장이 더욱 활성화되기를 기대한다”라고 밝혔다.

한편, KRISS 주요사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 세계적인 학술지인 에이씨에스 서스테이너블 케미스트리 앤 엔지니어링(ACS Sustainable Chemistry & Engineering, IF: 8.198)의 12월 서플리멘터리 커버 논문으로 선정됐다.