▲ 곡면 나노그래핀–흑연 하이브리드 음극의 순차 삽입 개념도(출처: UNIST)

국내 연구진이 빠른 충전과 장기 안정성을 갖춘 하이브리드 음극 소재를 개발해 차세대 음극 설계에 기여할 전망이다.

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

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 형태로, 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 있었으며, 이론 시뮬레이션과 계산을 통해서도 입증됐다.

소재 단위 성능 실험에서는 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, 1,000회 이상 충·방전을 반복해도 초기 용량의 70%를 유지했다. 실제 파우치셀로 제작했을 때도 2,100회 이상 안정적으로 작동했으며, 충·방전 효율은 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”이라며, “이번 연구에서 밝혀진 순차 삽입 과정은 빠른 충전과 장기 안정성을 동시에 확보할 수 있는 차세대 음극 설계 전략으로도 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.