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UNIST연구진, 대용량 배터리 향한 ‘양극 소재’ 비밀 밝혀내 (엠바고 25일 오전1시)
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  ▲ UNIST 에너지 및 화학공학부 이현욱 교수. 울산과학기술원 제공.  
 
   
 
  ▲ 양극소재의 충방전에 따른 구조변화 이미지. 울산과학기술원 제공.  
 

한 번 충전해 멀리 달리는 전기차에 꼭 필요한 ‘대용량 배터리’에 대한 ‘양극 소재’가 개발됐다. 2019년 노벨화학상을 받은 존 구디너프 박사가 1985년 제안한 형태에서 큰 진전 없이 사용되던 양극 소재의 개선에 주요한 역할을 할 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부 이현욱 교수팀이 영국 옥스퍼드대 마우로 파스타(Mauro Pasta) 교수팀과 공동으로 ‘고용량 리튬 이온 배터리용 양극 소재’를 합성하고, 이 물질의 성능 향상 원리를 규명했다고 24일 밝혔다.


리튬 이온 배터리는 리튬 이온이 양극과 음극을 오가며 전기 에너지를 충전하고 방전한다. 보통 양극은 층층이 쌓인 형태로 만들어 리튬을 저장하도록 설계하는데, 이 경우 에너지 용량은 제한된다. 층상구조를 이루는 물질 자체의 부피 때문에 리튬이 들어갈 공간을 늘리기 어려운 것이다.

리튬을 양극 물질과 화학적으로 결합하면 에너지 용량을 키울 수는 있지만, 배터리 수명이 감소한다는 단점이 있다. 리튬과 양극 물질이 결합할 때보다 분리될 때 들어가는 에너지가 훨씬 커, 충·방전을 반복하면 전극 구조가 불안정해지고 수명도 짧아지는 것이다.

공동 연구진은 양극 소재의 제조 공정을 개선, 리튬과 양극 물질이 화학적으로 결합하면서도 충·방전 시 필요한 에너지 차이를 줄인 ‘이플루오르화철 나노 막대 양극 소재’를 합성했다. 콜로이드 합성법(합성할 물질의 재료 입자들을 용매에 섞은 상태에서 꾸준히 일어나는 반응으로 생성물을 얻는 방법)을 이용, 20㎚(나노미터, 1㎚는 10억 분의 1m) 수준인 단결정 양극 소재를 만든 것이다. 이 소재는 리튬을 더 많이 저장하면서도 수명은 길다.

이현욱 교수팀은 새로운 양극 소재의 충·방전 과정을 ‘실시간 투과전자현미경 분석법’으로 분석해 성능 향상 비밀을 밝혀냈다. 양극 소재의 표면에 철과 리튬플로라이드로 이뤄진 얇은 이중층이 만들어져 충·방전 동안 양극 소재를 보호해주는 현상이 포착된 것이다.

이번 연구는 그동안 성능 향상이 어렵다고 알려진 화학결합 기반 양극 소재의 작동을 이해하고 개선하는 연구로 평가된다.

이 교수는 “차세대 고용량 양극 소재는 도전적인 과제라 음극 소재에 비해 연구가 미흡한 편”이라면서도 “실시간 투과전자현미경 분석법으로 고용량 양극 소재에 대한 이해도를 높인 만큼, 앞으로는 양극 소재에 관한 연구도 늘어나야 할 것”이라고 했다.

이번 연구는 재료 분야 세계적 학술지인 ‘네이처 머티리얼즈(Nature Materials) 2월 24일자로 공개됐다.


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