UNIST, 고속충전 반복해도 성능 유지하는 배터리 소재 개발

[투데이에너지 박명종 기자]  울산과학기술원(UNIST)이 고속 충전을 반복해도 성능 저하 없이 안정적으로 작동하는 배터리 음극 소재 개발에 성공했다고 24일 발표했다.

UNIST 에너지화학공학과 강석주 교수와 고려대교 곽상규 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 안석훈 박사 공동연구팀은 흑연과 유기 소재를 결합한 하이브리드 음극 소재를 개발했다고 밝혔다. 배터리 충전 과정에서 리튬이온은 전자와 결합하여 음극 소재 내부에 리튬 원자로 저장된다. 하지만 고속 충전 시에는 리튬이온이 음극 내부로 완전히 침투하지 못하고 표면에 금속 리튬 형태로 축적되는 '데드 리튬(dead lithium)' 현상이 발생한다. 이는 배터리 수명을 크게 단축시키는 주요 원인이다.

연구진이 개발한 하이브리드 음극은 이같은 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 혁신적 구조로 설계됐다. 상용 음극 소재인 흑연 입자(MCMB)를 곡면 나노그래핀(Cl-cHBC) 적층 구조 안에 균등하게 분포시켜, 고속 충전 조건에서도 데드 리튬 생성을 방지한다.

성능 실험 결과, 새로 개발된 하이브리드 음극은 고속 충전 조건에서 기존 흑연 음극보다 4배 이상 높은 용량을 기록했다. 

특히 전기차에 주로 사용되는 단결정(NCM811) 양극과 결합한 전지에서 1천 회 이상 충·방전을 반복한 후에도 초기 용량의 70%를 유지하는 뛰어난 내구성을 보여줬다.

연구진은 "이번 개발 소재는 단순한 공정으로 제조가 가능해 기존 배터리 음극 제조 인프라와의 호환성이 뛰어나다"고 설명했다. 

또한 "곡면 나노 그래핀의 화학 구조 확장성을 활용하면 리튬전지뿐만 아니라 차세대 에너지 저장장치인 나트륨 전지 음극 개발로도 응용이 가능할 것"이라고 전망했다.

이번 연구 성과는 재료 분야의 권위있는 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)' 온라인판에 지난 11일 게재됐다.

연구진 왼쪽부터 강석주 UNIST 교수, 차현지 UNIST 연구원, 안석훈 KIST 박사, 곽상규 고려대 교수 / UNIST 제공