전기자동차의 주행거리를 대폭 늘릴 차세대 음극 소재가 개발돼 주목받는다. 국내 연구진이 대용량 전극(리튬 음극재)의 안정성과 수명 특성을 극대화하는 기술을 개발했기 때문이다.

성재경 교수 연구팀. 사진 왼쪽부터 고민석, 김동휘, 김석진, 김주은 학생, 성재경 교수. 경상국립대 제공

리튬 음극재는 기존 흑연 음극재보다 10배 이상 큰 용량으로 전기차 주행거리를 대폭 늘릴 수 있어 차세대 배터리의 음극 소재로 주목받는다.

그러나 리튬 음극재는 충전 과정에서 ▷수지상 형태 성장으로 분리막을 파괴하거나 ▷성장으로 인한 지속적인 배터리의 팽창 ▷전해액과 높은 반응성으로 인한 효율 감소 등의 문제가 있다. 또 리튬 이온 전지는 물론 차세대 배터리 중의 하나인 전고체 전지에서도 ▷폭발 위험성 ▷에너지 밀도의 감소 ▷급격한 수명 저하 특성 때문에 상용화에 여전히 큰 어려움이 있다.

경상국립대 공과대학 나노·신소재공학부 성재경 교수 연구팀은 울산과학기술원(UNIST) 조재필 교수팀과 공동 연구를 진행해 배터리 수명을 저해하는 리튬 음극재의 수지상 형태 성장과 부반응성을 효과적으로 억제해 성능을 획기적으로 개선할 수 있는 새로운 합성 기술을 개발했다.

연구 결과는 세계적인 학술지인 ‘에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)’ 4월 14일 자(현지시간)로 공개됐다.

이 기술은 카바이드-매개 촉매 수소화 분해 메커니즘을 기반으로 해 그래핀 껍질 구조와 나노 채널(1나노미터는 10억분의 1미터)을 포함한 탄소계 매트릭스를 합성하는 기술로 이 물질을 통해 배터리 충·방전 때 리튬 금속을 안정적으로 증착시킬 수 있다.

이 구조를 통해 충·방전 때 발생하는 고질적인 리튬 음극재의 불안정성을 최소화하고 높은 용량과 우수한 수명 특성을 갖는 고안전성 리튬 이온 전지와 차세대 전고체 전지를 구현한 혁신 기술로 주목받는다.

성재경 교수 연구팀은 값싼 철 금속을 기반으로 한 수소 첨가 분해 반응을 탄소 소재의 옷감에 적용해 그래핀 껍질 구조와 나노 채널을 갖는 탄소 매트릭스를 개발했다. 이어 이러한 구조는 극소량의 금(0.05 wt%)을 담을 수 있는 다공성 지지체로 사용됐다. 이 개발 물질을 리튬 이온 배터리에 적용한 결과 500회 충·방전 때 87.2% 이상의 높은 사이클 수명 특성을 보였다.

성재경 교수는 “이 기술은 원재료가 저렴하다는 점과 기존 리튬 금속 음극재의 팽창률을 낮췄다는 점에서 차세대 리튬 금속 적용 전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것이다”고 말했다.