KIST(한국과학기술연구원·원장 직무대행 윤석진)는 정경윤·장원영 에너지저장연구단이 리튬 과잉 양극소재의 표면을 안정화시켜 고성능 양극소재를 개발했다고 17일 밝혔다.

이번 연구는 이상영 UNIST(울산과학기술원) 교수팀과 공동연구를 통해 진행됐다. 연구 결과는 에너지 분야 권위지 'Advanced Energy Materials'에 게재됐다.

리튬이온전지는 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동하며 저장된다. 양극에 저장할 수 있는 리튬이온이 많을 수록 전지의 용량이 커져 양극소재 개발은 리튬이온전지 용량증대의 핵심이다.

리튬과잉양극소재는 이론용량이 250mAh/g으로 에너지 저장용량을 50%이상 상승시킬 수 있는 차세대 양극소재로 오랫동안 주목받아 왔다. 하지만 충방전 과정에서 리튬이 위치한 금속층이 붕괴되고 부풀어 더이상 사용할 수 없다는 문제가 있었다.

연구팀은 투과전자현미경을 이용해 전지 구동 후 전극의 표면에서부터 금속층 붕괴가 진행된다는 사실을 확인했다. 금속층 붕괴를 막기 위해 리튬이온과 친화력이 우수한 연어의 DNA를 활용해 붕괴원인인 표면구조를 제어했다.

이 과정에서 DNA가 수용액 내에서 거대하게 뭉쳐지는 문제가 있었지만, 연구진은 탄소나노튜브(CNT)와 합성해 이를 극복하고 균일하게 배열, OLO 표면에 부착해 새로운 양극 소재를 개발했다. 

연구진은 이 소재를 통해 실시간 X-선 분석기법으로 충·방전이 진행되는 과정에서 전극 소재의 구조 붕괴가 억제됨과 구조 변화 분석을 통해 배터리가 과열되더라도 안정적임을 확인했다. 

이상영 교수는 "합성 소재에 기반한 기존 시도들과는 다른 개념인 생명체의 기본 물질인 DNA를 이용한 연구 결과"라며 "고성능 전지 소재 개발의 새로운 방향을 소개했다"고 말했다. 

정경윤 단장은 "통합 고도분석법을 통해 고에너지·안전성 양극 소재의 설계 인자를 제시했다는 것에 큰 의미가 있다"며 "본 연구 결과를 토대로 기존 상용화 양극 소재를 대체할 신규 소재 개발 연구에 더욱 박차를 가할 것"이라고 덧붙였다 .