국민대학교(총장 임홍재) 신소재공학부 이현정 교수 연구팀이 전기자동차를 더 가볍고, 더 오래 달리게 할 ‘고용량·장수명’ 리튬이온배터리 소재를 개발했다.
국민대 이현정 교수 연구팀이 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 화학과 박수진 교수팀과 공동연구를 통해 고용량·장수명 리튬이온 배터리용 3차원 그래핀 전극을 개발한 연구 결과는 국제 전문 연구학술지 ‘스몰(Small)’에 Front cover article (표지논문)으로 선정되었으며, 국민대 김현지 학생, POSTECH 류재건박사 및 강지은 학생이 제1저자로 참여하였다.
고성능 전기차 배터리는 지금보다 에너지 용량을 늘리면서 충전 시간을 단축하고 안정성이 뛰어나야 한다. 하지만 현재 사용되는 흑연 음극은 이론적 용량이 낮고 고속충전 조건에서 음극 표면에 리튬 금속이 석출돼 배터리의 성능과 안정성을 낮추는 문제가 있었다. 흑연을 대신할 음극 소재로 리튬이온과의 합금 반응이 가능한 ‘주석’이 각광받고 있다. 주석은 이론적 용량이 커서 가벼우면서도 높은 에너지를 가질 수 있는 전극 소재이다. 그러나 충·방전 시 큰 부피 변화로 인해 잘 깨져서 리튬이온의 전달 특성과 전극의 안정성을 저하한다는 문제가 있었다.
이런 문제를 해결하기 위해, 공동 연구진은 다공성 그래핀에 주석과 이산화 타이타늄 (titanium dioxide)이 차례로 코팅되어있는 전극을 개발했다. 이 전극은 구슬 모양의 고분자 템플릿에 (monodisperse polymer bead template)에 이산화 타이타늄과 산화주석을 차례로 코팅한 후 열환원 (thermal reduction)과정을 통해 제조됐다. 다공성 그래핀은 충전 시 주석이 자유롭게 팽창할 수 있는 빈 공간과 높은 전기전도도를 제공한다. 이산화 타이타늄은 그래핀과 함께 양옆에서 주석의 부피팽창을 잡아준다. 또한 개발된 전극은 기존 전극에 사용되던 집전체, 도전제, 바인더가 필요 없는 ‘일체형 전극’이라는 점에서 배터리 에너지 밀도를 높이는 데에 기여한다.
국민대 이현정 교수와 POSTECH 박수진 교수는 “다공성 그래핀-주석-이산화 타이타늄 일체형 전극은 에너지 밀도와 안정성을 높이는 이상적인 전극”이라며 ”이와 같은 전극의 디자인은 리튬이온배터리를 넘어서 다른 이차전지의 고용량 전극 및 유연 이차전지 구조에도 활용될 수 있을 것”이라고 전망했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업 및 융합연구센터(모듈형 스마트 패션 플랫폼 연구센터)사업의 일환으로 수행됐다