리튬 이온 배터리 제조단가 낮출 음극 소재 개발

2019.07.09 19:05
안석훈 한국과학기술연구원(KIST) 기능성복합소재연구센터 선임연구원(왼쪽)과 강석주 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수(가운데), 곽상규 교수 공동연구팀은 전기전도도가 좋은 유기물 반도체들을 합성해 리튬전지의 음극으로 쓸 수 있는 물질을 개발했다고 9일 밝혔다. KIST 제공
안석훈 한국과학기술연구원(KIST) 기능성복합소재연구센터 선임연구원(왼쪽)과 강석주 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수(가운데), 곽상규 교수 공동연구팀은 전기전도도가 좋은 유기물 반도체들을 합성해 리튬전지의 음극으로 쓸 수 있는 물질을 개발했다고 9일 밝혔다. KIST 제공

휴대전화와 노트북 등에 쓰이는 리튬 이온 이차전지에 쓸 수 있는 새로운 음극 소재가 개발됐다. 전기전도도가 높아 별도의 전도체를 혼합할 필요가 없어 배터리 제조단가를 낮추는 데 기여할 것으로 기대된다.

 

안석훈 한국과학기술연구원(KIST) 기능성복합소재연구센터 선임연구원과 강석주 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수, 곽상규 교수 공동연구팀은 전기전도도가 좋은 유기물 반도체들을 합성해 리튬전지의 음극으로 쓸 수 있는 물질을 개발했다고 9일 밝혔다.

 

최근 배터리 수요가 급증하면서 고성능 이차전지를 개발하기 위한 연구가 활발하다. 대표적인 이차전지 중 하나인 리튬이온전지는 양극과 음극 층 구조를 갖고 층 사이를 리튬 이온이 이동하며 에너지를 저장한다. 음극에는 흑연이 주로 쓰이는데 흑연은 이온이 층 사이를 이동할 때 긴 거리를 이동해야 하는 구조를 가져 전지 성능 저하와 수명 단축의 원인이 됐다. 이에 다른 소재를 이차전지 음극으로 활용하려는 시도가 이어졌으나 전기전도도가 낮아 전도체를 별도로 혼합해 줘야 해 제조단가가 높아지는 단점이 있었다.

 

연구팀은 탄소원자가 5각형과 6각형으로 이뤄진 축구공 모양으로 연결된 유기 반도체 ‘풀러렌’ 분자와 이를 잡을 수 있는 글러브 모양의 ‘헥사벤조코로넨’이라는 물질을 공결정체로 형성시킨 새로운 음극 소재를 개발했다. 공결정체는 두 개 이상 성분이 특정한 비율로 하나의 새로운 결정을 만드는 것을 뜻한다. 특히 유기 반도체 물질에서 공결정체는 전기화학적 성질이 향상되는 결과로 이어지는 경우가 많다.

 

소재 제작 과정 모식도다. 풀러렌과 헥사벤조코로넨 공결정 구조가 기둥형 구조를 형성하는 것을 볼 수 있다. KIST 제공
소재 제작 과정 모식도다. 풀러렌과 헥사벤조코로넨 공결정 구조가 기둥형 구조를 형성하는 것을 볼 수 있다. KIST 제공

연구팀은 제조한 풀러렌과 헥사벤조코로넨 공결정 구조를 음극으로 갖는 코인 형태의 리튬 이차전지를 개발했다. 측정 결과 초기 용량에서 g당 320mAh 정도의 높은 용량을 보였다. g당 3A(암페어)의 빠른 충전에서도 g당 70mAh의 성능을 보이는 것도 확인했다. 시뮬레이션을 통해 연구팀은 공결정 구조가 풀러렌과 헥사벤조코로넨 물질이 번갈아 가며 기둥형 구조를 형성하는 것을 확인했고 이 구조가 음극의 전기 전도성을 높이는 역할을 한다는 것을 밝혀냈다.

 

안 선임연구원은 “새롭게 개발된 물질은 기존 유기물 전극의 문제점인 낮은 전도성을 해결할 수 있을 뿐 아니라 차세대 이차전지인 소듐(나트륨)전지에도 활용될 수 있어 후속 연구개발에 매우 중요한 연구결과”라고 말했다.

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