KAIST, 초고속 충전 가능한 리튬이온 배터리 소재 개발

[대전=이데일리 박진환 기자] KAIST는 EEWS 대학원 강정구·김용훈 교수의 공동 연구팀이 빠른 속도의 충·방전이 가능한 동시에 1만번 이상의 작동에도 용량 손실이 없는 리튬 이온 배터리 음극 소재를 개발했다고 20일 밝혔다.

이번 연구는 3차원 그물 형상의 그래핀과 6나노미터 크기의 이산화티타늄 나노입자로 구성된 복합 구조체를 간편한 공정으로 제조하는 기술이다.

이를 통해 탄소계열 물질 위주의 기존 전극이 갖고 있던 고출력 성능이 제한되는 문제를 개선해 고성능의 배터리 전극을 구현했다.

KAIST 연구팀의 이번 성과로 앞으로 전기자동차, 휴대용 기기 등 높은 출력과 긴 수명을 요구하는 분야에 응용 가능할 것으로 기대된다.

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.

또 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. 이에 따라 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·방전하는데 성공했고, 이 과정에서 용량 손실 없이 1만번 이상 작동함을 확인했다.

강 교수는 “재료 물리학 측면에서 가치가 높은 연구 결과”라며 “구조적 측면에서도 향후 여러 에너지 저장장치 등의 분야에 활용 가능성이 클 것”이라고 내다봤다.

한편 이규헌 박사과정과 이정우·최지일 박사가 주도한 이번 연구 결과는 국제 과학 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 지난 5월 18일자 온라인 판에 게재됐다.