경상국립대학교 공과대학 나노·신소재공학부 성재경 교수 연구팀이 흑연 전극의 성능을 혁신적으로 향상시키는 기술을 개발했다.
현재 상용화된 흑연 음극재의 전극 밀도는 ~1.5g/cc이며 부피당 에너지 밀도는 500Wh/L이다. 전극 밀도가 ~1.5g/cc를 넘으면 기공이 줄어들어 전해질 침투가 방해받고 이는 셀 설계 시 음극 용량과 양극 용량 비율의 불균형을 초래하는 문제를 일으킬 수 있다. 이 비율이 1 이하로 떨어지면 음극 용량이 부족해 리튬이 석출되며 사이클 수명이 단축되는 문제가 발생할 수 있다.
성재경 교수 연구팀은 흑연 음극재를 포함한 전극의 밀도를 1.9g/cc까지 증가시켜 흑연의 이론 용량인 372mAh/g보다 높은 이론 용량을 가지는 합금형 음극과 유사한 에너지 밀도를 달성할 수 있음을 확인했다.
이는 흑연 음극재의 전극 밀도를 조정하는 간단한 방법으로 충·방전 시 불안정한 고용량 음극재를 사용하지 않고도 높은 부피당 에너지 밀도를 실현할 수 있는 가능성을 제시하며 에너지 저장 성능을 크게 향상시킬 새로운 전략을 보여준다.
이번 연구의 핵심은 흑연의 표면에 기능성 고분자를 코팅하여 전해질의 침투를 촉진하는 기술이다. 이 연구에서 사용한 고분자는 높은 전해질 흡수 능력을 가지고 있으며 니트릴 그룹이 리튬 이온과 결합해 리튬 염의 효과적인 용해를 유도하고 수산화기(OH) 그룹이 흑연 표면의 전해질 습윤성을 향상시킨다. 또 흑연 입자들 간의 뭉침을 방지해 높은 압력에서도 이온 전도성을 유지하며 고밀도 전극을 설계할 수 있게 한다.
제1저자인 김주은 연구원은 “에너지 밀도를 위해 흑연 극판에 과한 압력이 가해졌을 때 입자 사이의 전해질 침투 문제를 발견했고 흡수성 향상을 위한 다양한 방법을 생각하다 니트릴 그룹과 수산화기 그룹을 포함한 고분자를 떠올렸다”고 말했다.
노동균 기자 defrost@etnews.com
