국내 연구진이 이산화티타늄(TiO₂) 나노입자를 활용한 고용량 리튬이온전지 음극소재 개발에 성공했다. 기존 음극의 용량 한계를 극복해 저장성능을 향상시켰다.
기초과학연구원(IBS·원장 김두철)은 성영은 나노입자 연구단 부연구단장이 이끄는 연구팀이 최적화된 리튬이온전지용 이산화티타늄 전극 구조를 도출했다고 10일 밝혔다.
이산화티타늄 나노입자는 현재 주로 쓰이는 흑연 전극을 대체할 새로운 음극 소재로 부상하고 있다. 격자 사이에 리튬을 저장할 수 있어 배터리 용량을 높인다.
문제는 이론과 실제에 차이가 있다는 점이다. 실제 용량이 이론치의 절반 수준이다. 실제로는 나노구조가 좁아 많은 리튬을 담기 어려웠다.
연구팀은 이산화티타늄 나노입자 구조를 최적화하는 방법으로 문제를 해결했다. 배터리 구동 조건·시간에 따라 물질 변화를 분석하는 '제자리분석법'으로 속이 빈 2차 구형태 구조를 찾아냈다.
이 구조는 리튬이 구조 내 삽입되는 것을 돕는다. 실제로 이를 활용한 리튬이온전지를 분석한 결과 리튬이온 저장 성능이 기존 이산화티타늄 전극을 썼을 때보다 30% 이상 올랐다. 흑연 전극을 썼을 때보다는 1.5배가량 높았다.
전지 안정성도 크게 올라갔다. 500회 이상 충·방전을 반복해도 고용량·고출력 성능을 유지했다.
연구팀은 이번 성과로 나노소재를 활용한 고성능 배터리 개발 한계를 극복할 수 있다고 설명했다. 용량 확대는 물론 배터리 폭발과 같은 안전 문제에서도 자유로워진다고 밝혔다.
후속 연구도 준비하고 있다. 기업 연계로 새로 개발한 나노구조를 대량 생산, 상업화 기반을 마련하는 연구를 준비하고 있다.
성영은 부연구단장은 “나노입자를 활용한 차세대 리튬이온전지의 성능한계, 안정성, 안전문제를 모두 해결하는 새로운 방향을 제시했다”며 “이산화티타늄을 비롯해 모든 나노입자 소재에 적용할 수 있다”고 말했다.
대전=김영준기자 kyj85@etnews.com
