[헬로티]

입자 크기 줄이지 않고 부피당 고에너지 밀도와 고출력 특성을 구현할 수 있는 이차전지 양극 소재 비밀 밝혀

최근 테슬라(Tesla)를 필두로 하여 세계적으로 전기차 시장이 빠르게 성장하고 있다. 전기차는 기존 내연기관 자동차와 달리, 이차전지의 동력만으로 자동차를 움직이기 때문에 배터리의 성능이 곧 자동차의 성능이 될 수 있다. 

하지만 느린 충전 시간과 낮은 출력은 여전히 전기차가 넘어야 할 장벽이다. 

포항공대(POSTECH) 연구팀이 더 빨리 충전되고 오래 가는 전기차 배터리 소재를 개발해 주목을 받고 있다. 

신소재공학과 강병우 교수, 통합과정 김민경 씨 연구팀은 성균관대 에너지과학과 윤원섭 교수팀과 함께 이차전지 전극 물질에서 충·방전할 때, 입자 크기를 줄이지 않아도 획기적으로 충·방전 시간을 단축해 고출력을 낼 수 있다는 것을 처음으로 밝혀냈다. 이 연구 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘에너지 엔 인바이러먼털 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 최근호에 게재됐다.

지금까지 이차전지에서 빠른 충·방전을 위해 전극 물질의 입자 크기를 줄이는 방법이 이용돼왔다. 하지만 입자 크기를 줄이게 되면 이차전지의 부피 에너지 밀도가 줄어드는 단점이 있었다.

연구팀은 입자 크기를 줄이지 않고도, 충·방전 상변이 과정*1에 중간상을 형성시키면 고에너지 밀도의 손실 없이도 빠른 충·방전을 통해 고출력을 낼 수 있을 뿐 아니라 오래 가는 이차전지를 개발할 수 있다는 것을 확인했다.

충·방전 시 새로운 상(相)이 생성되고 성장하는 과정을 거치는 상 분리 물질(Phase separating materials)의 경우, 부피가 서로 다른 두 상이 하나의 입자 내에 존재하게 되어 두 상의 계면에서 구조적 결함들이 많이 생긴다. 이러한 구조적 결함들은 입자 내에서 새로운 상의 빠른 성장, 즉 빠른 충·방전을 방해한다.

연구팀이 개발한 합성법을 이용하면, 입자 안에 있는 두 상 사이의 부피 변화를 획기적으로 줄여줄 수 있는 완충(Structural Buffer) 역할을 하는 중간상을 유도할 수 있다.

또, 이 완충작용을 하는 중간상이 입자 내의 새로운 상의 생성과 성장을 도와 입자 내의 리튬의 삽입·탈리 속도를 향상시킬 수 있으며, 뿐만 아니라 중간상의 형성을 통해서 전극 내의 수많은 입자들이 충·방전할 때 균일한 전기 화학 반응(homogeneous electrochemical reaction)을 일으켜 전지의 충·방전 속도를 획기적으로 증가할 수 있음을 확인했다. 

이 결과 연구팀이 합성한 이차전지 전극은 6분 만에 90%까지 충전되고, 18초 내에 54%를 방전하는 성능을 보여 고출력 이차전지 개발의 기대감을 높였다.

교신 저자인 강병우 교수는 “기존 접근법은 빠르게 충‧방전할 수 있도록 입자의 크기를 줄여 항상 에너지 밀도의 저하가 문제로 지적됐다”며 “이번 연구 성과를 통해 빠른 충·방전, 높은 에너지 밀도, 오랜 성능 유지 시간 등을 모두 충족시킬 수 있는 이차전지를 개발할 수 있는 기반을 마련했다”고 말했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 방사선기술개발사업의 지원으로 수행됐다.