[국내 신기술 ②] 전기자동차 1분 충전 시대 앞당겨 리튬이차전지 1분 충전, 전극 소재 원천 기술 개발

국내 연구진이 기존 리튬이차전지 기술에 비해 충전 시간을 최소 1/30에서 최대 1/120로 단축하고, 단 6초 만에 50% 전지 용량을 사용하는 전극 소재 원천 기술을 개발했다. 울산과학기술대학교(UNIST) 친환경에너지공학부 조재필 교수가 주도하고 이상한 박사 과정생 등이 참여해 개발한 신기술은 교육과학기술부가 지원하는 '신기술 융합형성 장동력사업'을 수행하는 과정에서 일궈낸 연구결과로, 화학 분야 권위지《앙게반테 케미Angewandte Chemie》국제판에 8월 8일 자로 실렸다. 또한, 이 논문은 혁신적 연구 결과와 이차전지 소재분야의 파급효과를 인정받아 '핫페이퍼HOT PAPER'로 선정됐다.

조재필 교수팀이 개발한 신기술은 리튬이차전지의 출력과 용량을 동시에 획기적으로 높인 새로운 양극 소재 합성법이다. 일반적으로 이차전지용 전극 소재는 분말 형태다. 이 분말 입자의 크기를 줄이면 충 · 방전 속도가 빨라지지만, 전극 밀도가 떨어져 전지 용량은 줄어든다.
연구에서 유기 용매를 첨가한 수열 합성법으로 크기가 20㎚인 미세 입자(1차)를 저온에서 단시간에 제조했고, 수크로즈라는 흑연 전구체를 포함한 용액에 충분히 분산한 후 다시 응집시켜 내부에 흑연전구체를 포함한 적절한 크기의 2차 입자를 제조했다. 이를 약 600℃에서 열처리하면 2차 입자 내부의 수크로즈가 흑연화하면서 입자 내부에 전도성 네트워크를 형성하고, 동시에 나노 미세 입자의 높은 표면 에너지로 말미암아 분말의 밀도가 높아진다. 일반적인 활물질은 충 · 방전 반응(전기 화학 반응)이 표면부터 내부에까지 차례대로 일어나지만, 분말 내부에 흑연 네트워크를 형성하면 분말 내부 모든 미세 입자가 동시다발적으로 반응에 참여해 충 · 방전이 매우 빨라진다. 연구팀은 이러한 방법으로 양극 소재 합성법을 개발했다. 전극 밀도를 높이는(기존 나노 소재 대비 1.4배 상승) 동시에 수득률이 높고(기존 나노 소재 대비 1.2배 상승) 화학적으로 쉽게 합성할 뿐만 아니라 충전 시간을 기존 기술에 비해 획기적으로 단축하고 짧은 시간(6초)에 50% 전지 용량을 사용할 수 있는 전극 소재 원천기술이다.
조재필 교수는"이 연구는 현재 리튬이온이차전지의 충 · 방전 속도 한계를 뛰어넘을 획기적인 사례며, 이 같은 방법을 다양한 물질에 적용해 이차전지 전극 물질 제조에 도입함으로써 1분 이내 완전히 충전할 수 있는 전기자동차용 이차전지 개발에 한층 더 다가설 것이다"면서," 관련기술은 국내외 특허 출원을 완료했다"고 밝혔다.

전지 6초 충전으로 50% 사용
현재 리튬이온전지는 애플리케이션 확대와 더불어 더 빠른 충 · 방전 특성을 요구한다. 특히 순수 전기자동차를 널리 보급하려면 내연기관 자동차에 가솔린을 넣는 것처럼 수분 내에 충전해야 한다. 일반적으로 리튬이온전지는 충 · 방전 속도를 양극 또는 음극 활물질의 크기를 줄여 높이지만, 전극 밀도가 떨어져 전지 용량은 줄어들며 전극 제조 공정상에 문제가 생긴다.
조재필 교수 연구팀은 나노 1차 입자로 이뤄진 마이크로 2차 입자를 제조하고, 내부에 전도성 흑연네트워크를 형성해 나노 사이즈 효과를 유지하면서 동시에 매우 높은 밀도를 갖는 양극 활물질을 개발했다. 이로써 현재 리튬이온 전지의 충 · 방전 속도한계를 뛰어넘는 양극 활물질의 원천 기술을 확보했다. 충 · 방전 속도를 더욱 향상하는 메커니즘을 제시해 1분 이내 충전할 수 있는 전기자동차용 전지개발에 한층 다가선 것이다.
리튬이차전지 세계 시장 규모는 2010년 기준 100억 불을 돌파했으며, 올해 전기자동차용 중대형 전지 시장 확대로 200억 불을 돌파할 것으로 보인다.
그중 특히 전극 소재 시장은 80억 불로, 스피넬Spinel 시장은 30억 불 이상으로 예측한다. 이번 원천 기술 개발은 지적재산권 선점 차원에서 매우 중요하다.
실험에서 20㎚ 크기 스피넬 구조를 갖는 양극재를 합성하고, 이를 수크로즈라는 카본 전구체를 용액에서 분산한 후 건조 단계에서 적절한 크기(약 5㎛)로 다시 응집시켜 이차 입자를 만들었다(a 좌측). 약 600℃에서 단시간에 열처리하면 이차 입자내 수크로즈가 흑연화해 입자 내부까지 전자가 쉽게 이동할 수 있는 경로를 제공할 뿐만 아니라 1차입자의 높은 표면 에너지로 말미암아 고밀도 입자를 형성한다(a 우측과 b). 2차 입자 내 생긴 카본층은 모든 1차 입자가 동시다발적으로 전기 화학 반응에 참여하도록 유도해 매우 빠르게 충 · 방전할 수 있다.

충 · 방전 율특성 비교

충 · 방전 율특성 비교
이 물질을 리튬이차전지에 적용해 평가한 결과, 위 <그림>에서 보듯이 상용화한 전지 수준을 능가해 충전 시간을 최소 1/30에서 최대 1/120로 줄이고(a), 단 6초(300배 전류) 만에 50% 용량을 사용 할 수 있는 매우 높은 고출력 특성을 보였다(b).
기존 발표 논문들은 전지의 출력 특성에 큰 영향을 미치는 인자로 전극 물질 자체의 전기 화학적 반응 속도에 중점을 뒀다. 그러나 이 연구에선 실제 리튬이온이차전지의 경우 전극 물질 자체의 전기화학적 반응 속도보다 입자 내부에 균등한 전자 이동 경로를 제공하는 것이 전지의 출력 특성을 높이는 데 더 중요한 요소임을 증명했다.

〖용어 따라잡기〗
리튬이차전지 | 현재 이차전지 시장에서 대부분을 차지하는 전지로, 한 번 쓰고 버리는 일차전지와 달리 외부 전원을 이용해 충전함으로써 반영구적으로 사용함. 충전할 수 있기에 충전식 전지(Rechargeable Battery)라고도 함.
양(음)극 활물질(전극 소재) | 배터리의 +극과 -극에서 전기 화학적 반응을 일으키는 물질.
수득률 | 이론적으로 생성할 양과 실제 얻는 양의 비를 뜻하며, 수득률이 이론치에 가까울수록 생산성이 높아짐. 수득률이 100%에 못 미치는 이유는 반응 시간이 부족하거나, 부반응이 일어나 목적 물질 이외 물질을 생성하거나, 기술적으로 취득하기가 곤란한 점 등이 있음.
율특성 | 전지의 충 · 방전 속도를 뜻함. 임의로 전류를 빨리 흘리면 전지의 반응 속도가 이에 미치지 못해 용량이 급격하게 떨어짐. 1C는 일반적으로 전지 용량에 해당하고, 이는 한 시간 동안 흐를 수 있는 전류임. 2C, 10C, 100C는 각각 2배, 10배, 100배에 해당함.
수열 합성법 | 액상 합성법의 하나로 물 또는 수용액을 이용해 고온 고압 상태에서 물질을 합성하는 방법(압력밥솥과 비슷한 원리). 이 연구에선 끓는점이 낮은 유기 용매(에탄올, 메탄올 등)를 추가해 더 낮은 온도에서 단시간에 활물질 미세 입자를 제조했음.