조용훈 강원대 교수 "차세대 전기자동차 대중화에 기여"

친환경 용매 '물'로 얻은 금속 전극을 이용해 리튬이차전지의 용량을 2배 이상 끌어 올리는 기술이 개발됐다.

한국연구재단(이사장 정민근)은 조용훈 교수(강원대)와 엄지현 박사(성균관대)연구팀이 물을 얼려 얻어낸 다공성 금속 구조체에 고용량 전극소재를 코팅해 리튬이차전지의 일체형을 확보, 기존의 전하량에 비해 2배 이상 향상시킨 용량을 얻는데 성공했다고 16일 밝혔다.

청정에너지 시대의 도래와 더불어 전기자동차와 같이 친환경 차량에 대한 관심이 증가하고 이와 더불어 에너지 저장 장치인 리튬이차전지의 소형화 및 경량화와 함께 고성능화가 요구되고 있다. 기존에 연구된 고용량 소재의 베터리는 충전 또는 방전시 많은 리튬이온을 저장하기 어렵고 최대 4배에 이르는 전극의 부피 팽창으로 전기적 합선과 급격한 성능저하 등의 문제점을 안고 있다.

고성능 리튬이차전지를 개발하기 위해서는 고용량 소재를 구멍이 많은 다공성 구조이면서 동시에 에너지 밀도를 높일 수 있도록 조밀한 구조로 디자인을 하는 것이 관건이다.

성장된 얼음기둥과 결정체 사이에 구리 분말을 가두었다가 얼음을 제거하여 3D 구리 다공성 구조체를 얻고, 이 후 활물질로서 산화주석을 졸-겔로 제조하여 코팅함.<사진=연구팀 제공>
성장된 얼음기둥과 결정체 사이에 구리 분말을 가두었다가 얼음을 제거하여 3D 구리 다공성 구조체를 얻고, 이 후 활물질로서 산화주석을 졸-겔로 제조하여 코팅함.<사진=연구팀 제공>

이에 연구팀은 물에 녹인 금속 분말을 냉각 후 얼음을 제거해 다공성 구조체를 얻는 '프리즈 캐스팅' 방식을 활용해 만든 다공성 구조체에 고용량 소재를 코팅해 리튬이차전지 일체형 전극을 개발했다.

'프리즈 캐스팅'방식을 통해 얻은 3D 구리 다공성 구조체에 산화주석을 졸-겔로 제조해 코팅하고 전극의 집전체와 통합된 일체형 전극의 디자인을 구현하였다. 이를 통해 50회 이상 충전 및 방전 주기 후에도 용량이 떨어지지 않는 구조적 건전성을 확보하고 기존 리튬 이차전지의 흑연 음극의 이론용량인 372mAh/g보다 2배 이상인 750mAh/g의 용량으로 안정적인 수명능력을 증명했다.

미래창조과학부 이공분야 기초연구사업의 지원을 받은 이 연구결과는 국제학술지 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)' 온라인 판에 1월 4일 게재됐다.

조용훈 교수는 "이번 연구성과는 리튬이차전지의 고용량 전극소재 기술 확보를 통해 차세대 전기자동차의 대중화를 앞당길 수 있을 뿐만 아니라, 휴대전화나 노트북 등의 소형 정보통신 장비의 전원장치로도 활용될 수 있을 것으로 기대 된다"라고 말했다.


 

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