KAIST EEWS 대학원 강정구, 김용훈 교수 공동연구팀이 빠른 속도의 충·방전이 가능한 동시에 1만 번 이상의 작동에도 용량손실이 없는 리튬이온배터리 음극소재를 개발했다고 KAIST가 6월 20일 밝혔다. 이번 연구는 3차원 그물 형상의 그래핀과 6나노미터 크기의 이산화티타늄 나노입자로 구성된 복합 구조체를 간편한 공정으로 제조하는 기술이다. 이를 통해 탄소 계열 물질 위주의 기존 전극이 갖고 있던 고출력 성능이 제한되는 문제를 개선해 고성능의 배터리 전극을 구현했다. KAIST측은 향후 전기자동차, 휴대용 기기 등 높은 출력과 긴 수명을 요구하는 분야에 응용 가능할 것으로 기대된다고 밝혔다.
화학기상증착법 이용
결함 적고 물성 우수한 그래핀 제조
현재 음극 배터리 물질로는 그래핀이 가장 많이 사용된다. 이 그래핀을 쉽게 만드는 방법은 용액 상에서 흑연을 분리시키는 방법인데, 이 과정에서 결함 및 표면의 불순물이 발생해 전기 전도성을 높이는데 방해가 된다. 연구팀은 이 문제 해결을 위해 화학기상증착법을 이용해 기존의 평평한 형태가 아닌, 결함이 적고 물성이 우수한 3차원 그물 형상의 그래핀을 제조했다. 그 위에 메조 기공이 형성된 이산화티타늄 나노입자 박막을 입혀 복합 구조체를 구현했다. 이 기술로 일반적인 전극 구성물질인 유기 접착제와 전도성 재료를 사용하지 않음으로써 전극 제조 공정을 간소화했고 전기 전도성을 높였다. 또한, 3차원 그물 형상의 그래핀과 화학적으로 안정된 이산화티타늄 나노입자가 형성하는 다양한 크기의 기공들이 전해질의 접근성을 높이는 역할을 한다. 이를 통해 이온들의 접근을 촉진시키고 원활한 전자의 이동이 가능하게 한다.
이 기술은 크기가 작은 나노 입자를 사용하기 때문에 표면부터 중심까지의 거리가 짧다. 따라서 짧은 시간 내에 결정 전체에 리튬을 삽입할 수 있어 빠른 충·방전 속도에서도 효율적인 에너지 저장이 가능하다. 연구팀은 1분 이내에 130mA/g의 용량을 완전히 충·방전하는 데 성공했고, 이 과정에서 용량 손실 없이 1만 번 이상 작동함을 확인했다. 연구팀은 “재료의 물성을 극대화시킬 수 있는 구조적 설계를 통해 기존 이차전지의 문제점을 해결하고 성능을 효과적으로 높이는 방법을 제시했다”고 밝혔다. 강 정구 교수는 "재료 물리학 측면에서 가치가 높은 연구결과"라며 "구조적 측면에서도 향후 여러 에너지 저장장치 등의 분야에 활용 가능성이 클 것"이라 고 말했다.
그래핀, 장점 많지만 단점도 보유
연구팀, 단점 극복 하이브리드 구조체 구현
그래핀은 비표면적이 넓고 전기 전도도가 구리보다 100배 이상 높을 뿐만 아니라 강도도 우수한 물질로, 매우 다양한 분야에 폭넓게 활용되고 있는 물질이다. 기존의 이차전지 전극에서 주로 사용되어온 그래핀은 흑연의 화학적 산화-환원반응을 통해 합성되어 대량 생산이 쉬운 장점이 있으나, 합성과정에서 형성되는 많은 결함들로 인해 전기 전도도·강도·화학적 안정성 등의 물성은 저하되어 큰 효과를 기대하기 어려운 단점이 있었다. 기존 전극의 구성요소인 유기 접착물질 및 전도성재료는 반드시 필요한 물질들이나 전해질 및 이온의 접근을 방해하는 역할을 하여 성능을 제한하는 부작용이 있었고, 이러한 첨가물의 사용을 줄이면서 재료의 성질을 개선하여 이차전지의 성능을 향상시킬 수 있는 전극 소재의 개발이 필요한 상황이다. 또한, 리튬이온의 확산 원리상으로 활물질의 크기가 작을수록 결정표면부터 중심부까지의 거리가 짧아 짧은 시간 안에 결정 전체에 걸쳐 리튬이 삽입되는 시간이 감소하므로, 충·방전 시간을 단축시키기 위해서는 활물질의 크기를 수 nm까지 줄이는 것이 중요하다. 그러나 작은 크기의 물질들은 계면의 불안정성으로 서로 뭉치는 경향이 강하기 때문에 작은 크기의 입자들을 서로 뭉치지 않고 잘 분산된 상태로 긴 시간 안정하게 유지될 수 있도록 하는 것이 중요하다. 그동안 이러한 문제들을 해결하기 위해 많은 연구와 개발들이 이루어져 왔으나, 모두를 만족시키는 물질을 구현하는 것은 어려웠다. 연구팀은 각각의 문제들을 동시에 효율적으로 극복할 수 있는 하이브리드 구조체를 구현하는데 성공했다. 질이 우수한 그래핀이 전자의 이동을 활성화하고, 유기첨가물의 사용을 자제하면서 매우 작은 크기의 나노입자들로 구성된 다공성 구조의 박막을 형성하여 이온의 이동을 촉진시킬 수 있는 복합구조의 소재를 구현하여 1분 이내의 빠른 충·방전 속도 및 1만회 이상의 긴 수명 등, 이차전지 성능을 크게 향상시킬 수 있는 것을 확인했다. 아울러, 이러한 성능향상의 원인을 규명하기 위해 다양한 분석·실험과 함께 슈퍼컴퓨터를 이용한 원자단위의 제일원리 계산을 이용해 고속에서 리튬이온의 확산·거동과 구조의 안정성 등을 이론 및 실험적으로 규명했다. 이 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 한국연구재단의 도약사업과 KISTI 슈퍼컴퓨팅의 지원을 받아 수행됐다. 이규헌 박사과정, 이정우, 최지일 박사가 주도했으며, 연구결과는 국제 과학학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’5월 18일자 온라인 판에 게재됐다.
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