국립금오공과대학교(총장 곽호상)는 박철민 신소재공학부 전지신소재연구실 교수 연구팀이 고성능 리튬이차전지용 신개념 리튬화합물 음극 소재를 개발했다고 4일 밝혔다.
연구팀은 최근 신개념 음극 소재로 분류될 것으로 기대되는 다양한 리튬화합물을 제조한 데 이어 이를 리튬이차전지용 음극 소재로 적용해 전지 성능의 우수성을 확인했다.
고용량 이차전지를 구현하려면 이론용량이 높은 리튬 금속·실리콘을 음극 소재로 사용해야 하지만, 현재 상용화되고 있는 흑연 음극 소재는 용량이 제한적이다. 고용량 이차전지를 구현하는데는 한계가 있다. 또 리튬 금속은 높은 반응성으로 인해 안전성의 우려가 있고, 실리콘 음극은 충·방전 시 수명이 떨어지는 한계를 가진다. 이러한 음극들은 초기 충전 시 일정량의 리튬이온이 영구 손실되는 문제도 있다.
현재 알려진 초기효율을 향상시킬 수 있는 대표적 방법은 리튬을 음극 소재에 미리 저장시키는 사전리튬화(pre-lithiation) 기술이다. 하지만, 사전리튬화 기술은 복잡한 공정 및 제어가 요구되며, 사전리튬화 처리된 소재는 대기 중에서 높은 반응성을 보이기 때문에 실제 상용화 단계에 도달하기에는 많은 어려움이 있다.
이러한 기존 음극 소재의 한계를 극복하기 위해 연구팀은 다양한 '리튬화합물 음극 소재' 개념을 새롭게 제안했다. 리튬화합물 음극 소재는 기존 상용화된 음극 소재들과 비교해 더 높은 초기 효율과 용량, 출력 특성을 보였다. 또 리튬화합물 음극은 일반적인 대기 중에서도 높은 안정성을 보인 점이 주목할 만하다.
박철민 교수는 “이번 성과는 리튬이차전지는 리튬을 포함하는 양극소재 및 리튬을 포함하지 않는 음극소재로 구성된다는 기존 사고의 틀을 벗어나는 것이다. 고성능 음극 소재의 실질적 상용화에도 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 4단계 BK21사업, 중견연구자지원사업 및 금오공대 Grand-ICT연구센터사업 지원으로 수행됐다. 금오공대 BK21 에너지융합기술 혁신인재 양성사업단 남기훈 박사후 연구원이 제1저자로 참여했으며, 인하대 환경공학과 전기준 교수 및 정상민 박사후 연구원, 한국전기연구원 최정희 박사, 미국 전기차 업체 리비안 유병철 박사와의 공동 연구로 진행됐다.
연구결과는 최근 나노소재분야 세계적 권위지 'ACS Nano' 온라인판에 실렸다. 연구 결과의 중요성을 인정받아 표지논문으로 선정되기도 했다. 관련 특허 2건도 출원했다.
정재훈기자 jhoon@etnews.com
