고려대(총장 정진택) 공대 화공생명공학과 조진한 교수팀이 에너지 저장 능력을 향상시키는 텍스타일 기반 배터리 전극을 개발하는 데 성공했다고 19일 밝혔다.
고려대 조진한 교수와 권민성 연구원, 고용민 대구경북과학기술원 박사, 이승우 미국 조지아텍 교수 연구팀과 함께 텍스타일 섬유 위에 고결정 에너지 나노입자를 균일하게 코팅한 이차전지 양극재를 개발했다.
리튬이온 이차전지 배터리 양극재로 사용되는 리튬인산철은 높은 작동 안정성과 인산철의 높은 경제성에도 불구하고 낮은 에너지 밀도를 갖는 것이 문제점이었다.
최근 연구는 수많은 기공을 가진 전도성 직물 위에 에너지 저장 물질을 코팅해 단위면적당 더 많은 에너지 물질을 도입해 에너지 밀도와 파워 밀도를 향상시키려고 노력해왔다. 그러나 직물 내부 안까지 전도성 물질을 균일하게 코팅하면서 고정화 작업이 어려웠다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 먼저 고결정 리튬인산철 나노입자를 제조하고 넓은 표면적을 갖는 텍스타일 섬유 표면 위에 탄소나노튜브와의 리간드 치환 층상자기조립법이라는 독특한 적층 방법으로 텍스타일 양극재를 구현했다. 합성된 리튬인산철 나노입자 크기(35㎚)는 기존 상용화된 입자(1~2㎛) 크기보다 거의 30분의1 이하로 줄임으로써 텍스타일 안에 존재하는 모든 섬유표면을 뭉침 현상 없이 코팅했다.
또 텍스타일과 전극 물질(탄소나노튜브) 및 탄소나노튜브와 리튬인산철 나노 입자사이 높은 상호 간 인력을 부여함으로써, 빠른 충·방전 속도, 높은 에너지 밀도, 높은 기계적 유연성 및 안정적 구동을 동시에 확보했다.
이 기술로 지금까지 보고된 리튬인산철 기반 양극재보다 높은 에너지 밀도와 빠른 충방전 속도를 갖는 배터리 양극재를 구현했다. 상용화된 값비싼 니켈·코발트 기반 양극재보다 우수한 성능을 구현할 수 있었다.
고용민 대구경북과학기술원 박사는 “이번에 개발된 리튬인산철 양극재 전극은 면섬유 내부 기공을 최대한 활용하면서 세계 최고 수준의 성능을 구현했다”며 “완전히 접힌 상태 극한 기계적 조건에서도 배터리 성능을 완벽히 구현할 수 있음은 유연 전기전자 소자의 배터리 소재에 적용하는 데 전혀 문제가 없다는 의미”라고 말했다.
조진한 고려대 교수는 “최근 면섬유와 같은 텍스타일 전극을 기반으로 최고 성능의 슈퍼커패시터, 배터리 및 물 분해 전극까지 연이어 성공적으로 구현함으로써 텍스타일 기반 에너지 전극 플랫폼 기술을 선도적으로 확보했다”고 설명했다.
이번 연구성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업, 기초연구실지원사업 지원으로 수행됐다. 국제 학술지인 어드밴스드 에너지 머터리얼즈 유럽 현지시간 기준 7월 16일자 온라인판에 게재됐다.
김명희기자 noprint@etnews.com
