IBS, 리튬이온전지 성능 높이는 음극재료 개발

IBS 나노입자연구단, 고성능·고안정성 음극소재 '나노구조복합물질' 개발 성공

나노복합구조물의 리튬 삽입 전과 후의 모식도 및 전자현미경 사진/제공=기초과학연구원

국내 연구진이 나뭇잎 모양을 이용한 이차원 나노구조물 개발에 성공했다. 개발된 물질은 각종 에너지 저장·공급 장치로 널리 이용되는 리튬이온전지의 음극재료로 용량이 크고 안정성이 높다는 특징이 있다.

기초과학연구원(IBS)은 나노입자 연구단 현택환 단장(서울대 화학생물공학부 중견석좌교수)과 성영은 그룹리더(서울대 화학생물공학부 교수) 연구팀이 고용량·고출력·고안정성의 전기적 특성을 동시에 만족시키는 음극재료를 개발했다고 5일 밝혔다.

이 음극재료의 용량은 현재 상용화된 흑연의 3배에 이른다. 300회 충전 및 방전이 진행되는 동안 단 3%의 용량저하만을 보인다. 또 20분간 급속 충·방전에도 20%의 용량이 저하되는 등 우수한 출력을 지니고 있다는 설명이다.

연구팀은 나뭇잎 모양의 탄소나노구조물을 개발해 큰 부피변화가 발생할 때 발생되는 안정성의 문제를 해결했다.

지금까지 리튬이온전지를 가볍게 만들기 위해 고용량의 음극 물질을 연구했지만 충·방전 시 부피변화에 따른 문제가 동반됐다. 전극 재료를 나노 입자로 만들면 부피는 줄지만 늘어난 표면적 때문에 주반응이 아닌 부반응이 증가하는 단점이 있었다.

이에 연구진은 나뭇잎 모양의 이차원 탄소나노구조물에 나노기공(Nanopore)2) 을 넣고, 그 기공 안에 산화주석(SnO2)3) 나노입자를 주입했다.. 탄소 내부는 정육면체의 나노기공들이 배열되어 있어 부피가 크면서도 안정성을 유지할 수 있다.

또 연구진이 개발한 이차원 구조는 리튬이온전달에 용이하고 전도성 탄소를 이용해 전자전달도 유리하다. 이는 리튬이온전지에서 충·방전 시간을 짧게 만드는 주요 요인으로 출력 특성이 우수하다는 설명이다.

한편 이번 연구성과는 화학분야 세계 최고 권위 학술지인 미국화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society, IF 12.11)4) 온라인 9월 1일자에 게재됐다.