급속충전에도 오래가는 리튬이온전지 소재 발견

국내 연구진이 고속 충전, 고용량, 고출력을 유지하는 리튬이온전지용 음극 신소재를 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 이중기 에너지저장연구단 박사팀이 급속 충·방전 조건하에서도 용량과 수명을 유지하는 신개념 리튬이차전지 음극 소재를 개발했다고 2일 밝혔다.


리튬이온전지는 밀도가 높아 무게가 가볍고 고용량의 전지를 만드는데 유리해 스마트폰, 전기자동차 등 다양한 분야에서 사용된다. 그러나 용량에 비례해 길어지는 충전시간, 반복되는 충·방전 과정도중 수명이 단축된다는 단점이 있다.

그간 업계는 급속충전이 가능하고 오랫동안 성능저하 없이 사용될 수 있는 우수한 효율의 소재 개발에 매진했다.


KIST 연구진은 우선 열 증발, 증착 장치를 사용해 우수한 탄성을 지니는 플라즈마 중합 탄소구조체를 제조했다. 동시에 화학증착방법을 이용해 나노크기로 주석입자를 균일하게 분산시켰다. 연구진은 두개의 복합공정을 이용해 새로운 이차전지 소재를 만들어냈다.

새로 개발된 소재는 우수한 탄성을 지녀 충·방전 시 발생되는 부피팽창을 극복할 수 있다. 또 나노 분산된 주석 입자 주위에 형성된 산화주석막과 플라즈마 중합된 탄소구조체 사이에 형성된 반도체 접합 구조 계면은 전극 내에 전하가 걸려있을 때 이동되는 리튬이온과 전자의 이동속도를 가속해 고출력, 고용량이 가능해진다.


이 원리를 전지에 적용해 충·방전 시 단위 시간 당 이동되는 리튬이온의 속도를 올리면서도 계면저항을 최소화해 급속충전 상태에서도 장시간 고용량 상태를 유지시킬 수 있다는 게 연구진의 설명이다.

실제 연구를 통해 개발된 리튬이온전지용 음극재는 충·방전 시간 50분으로 약 5000회를 반복해도 기존 이차전지 대비 약 3배 수준인 97.18%의 성능을 유지했다.


또 급속 충·방전 시간인 4분으로 실험했을 때 기존 이차전지 대비 1.5배의 성능을 보였다. 350회에 달하는 충·방전 반복에도 99% 이상의 성능 유지를 나타내는 현상을 실험적으로 확인했다.

이중기 KIST 박사는 “이번 연구에서 개발된 반도체 접합 구조 계면특성을 가진 리튬이차전지 음극재 합성 기법 및 개선 방안은 차세대 급속 충전용 전기자동차 및 무선이동원인 드론, 근력증강 로봇 등의 전원설계에 응용 가능하다”며 “다른 무선 이동원의 핵심 디바이스 설계에도 새로운 접근방법을 제시할 것으로 전망된다”고 밝혔다.