고출력 특성을 구현할 수 있는 이차전지 양극 소재 비밀 밝혀

국내 연구진이 더 빨리 충전하고 오래가는 전기차 배터리 소재를 개발했다.

강병우 포스텍 신소재공학과 교수 연구팀은 윤원섭 성균관대 에너지과학과 교수팀과 함께 이차전지 전극 물질에서 충·방전할 때, 입자 크기를 줄이지 않아도 획기적으로 충·방전 시간을 단축해 고출력을 낼 수 있다는 것을 처음으로 밝혀냈다. 이 연구 성과는 재료 분야 국제학술지 ‘에너지 엔 인바이러먼털 사이언스(Energy & Environmental Science)’에 최근호에 게재됐다.

지금까지 이차전지에서 빠른 충·방전을 위해 전극 물질의 입자 크기를 줄이는 방법이 이용돼왔다. 하지만 입자 크기를 줄이게 되면 이차전지의 부피 에너지 밀도가 줄어드는 단점이 있었다.

연구팀은 입자 크기를 줄이지 않고도 충·방전 상변이 과정에 중간상을 형성시키면 고에너지 밀도의 손실 없이도 빠른 충·방전을 통해 고출력을 낼 수 있을 뿐 아니라 오래 가는 이차전지를 개발할 수 있다는 것을 확인했다. 상변이 과정은 전극 물질 중 상 전이 물질에서 일어나는 현상으로 충·방전 시 리튬이 삽입·탈리 되면서 물질의 기존 상이 새로운 상으로 변하는 과정이다.

충·방전 시 새로운 상(相)이 생성되고 성장하는 과정을 거치는 상 분리 물질(Phase separating materials)의 경우 부피가 서로 다른 두 상이 하나의 입자 내에 존재하게 되어 두 상의 계면에서 구조적 결함들이 많이 생긴다. 이러한 구조적 결함들은 입자 내에서 새로운 상의 빠른 성장, 즉 빠른 충·방전을 방해한다.

연구팀이 개발한 합성법을 이용하면 입자 안에 있는 두 상 사이의 부피 변화를 획기적으로 줄여줄 수 있는 완충(Structural Buffer) 역할을 하는 중간상을 유도할 수 있다.

또 이 완충작용을 하는 중간상이 입자 내의 새로운 상의 생성과 성장을 도와 입자 내의 리튬의 삽입·탈리 속도를 향상시킬 수 있다. 더불어 중간상의 형성을 통해서 전극 내의 수많은 입자들이 충·방전할 때 균일한 전기 화학 반응(homogeneous electrochemical reaction)을 일으켜 전지의 충·방전 속도를 획기적으로 증가할 수 있음을 확인했다. 이 결과 연구팀이 합성한 이차전지 전극은 6분 만에 90%까지 충전되고, 18초 내에 54%를 방전하는 성능을 보여 고출력 이차전지 개발의 기대감을 높였다.

강병우 교수는 “기존 접근법은 빠르게 충‧방전할 수 있도록 입자의 크기를 줄여 항상 에너지 밀도의 저하가 문제로 지적됐다”며 “이번 연구 성과를 통해 빠른 충·방전, 높은 에너지 밀도, 오랜 성능 유지 시간 등을 모두 충족시킬 수 있는 이차전지를 개발할 수 있는 기반을 마련했다”고 말했다.

한편 이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 방사선기술개발사업의 지원으로 수행됐다.