한국연구재단은 국내 연구진이 '3차원 다공성구조' 설계로 리튬이온 전지 사용시간을 연장하거나 전기 저장용량을 늘릴 수 있는 가능성을 열었다고 밝혔다.
김동철 서강대 교수 연구팀(공동 제1저자 송지환)은 전지의 양극(+극)을 구성하는 금속재료를 작은 구멍(공극)을 갖는 다공성 구조로 설계할 때 이들 구멍 분포가 리튬이온 전지의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다는 사실을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 밝혔다.
재료 내부에 작은 구멍을 많이 가진 다공성 구조로 양극재를 설계할 때 리튬이온 전지의 성능인 비용량(단위 무게 당 전지 용량)이 크게 향상될 수 있었다. 또 고출력 사용 조건에서 비용량 손실은 다공성 구조의 양극재의 경우 기존 단순 구형의 양극재를 사용했을 때보다 최대 98%까지 줄어들 수 있는 것으로 나타났다.
다공성 구조 설계에서 구멍이 균일하게 분포하지 않으면 오히려 전지 성능 향상에 악영향을 끼칠 수 있음을 밝혔다. 공극이 특정 부위에 몰려 불균일한 분포를 갖는 양극재는 공극률을 20%에서 40%로 증가시켰음에도 비용량은 오히려 20% 감소하는 것으로 확인됐다.
그 동안 실험 중심으로 수행된 리튬이온 전지 설계 연구를 최초로 다양한 양극재 형상에 이론적 수학식을 만들어 시뮬레이션한 결과를 보고했다는 점에서 주목받는다.
김동철 교수는 “컴퓨터 시뮬레이션으로 고성능의 리튬이온 전지를 만들 수 있는 미세구조 설계 기술을 개발한 것”이라며 “전기자동차, 첨단의료장비는 에너지 소비가 크기 때문에 고성능의 에너지 공급원이 필요한데 향후 자동차산업, 의료사업, 모바일산업 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”고 설명했다.
연구 결과는 국제 학술지 사이언티픽 리포트(Scientific Report) 2월 13일자에 게재됐다.
송혜영기자 hybrid@etnews.com
