이중기 KIST 연구팀, 리튬이온전지 음극 소재 개발

(a)Sn-PC60전극의 구조 및 자가완화특성에 대한 모식도. (b)충・방전과정 중 금속/n-type반도체(a-SnO2)/p-type반도체(PC60)구조에서의 전자이동에 대한 모식도 및 에너지도표.<사진=KIST 제공>
(a)Sn-PC60전극의 구조 및 자가완화특성에 대한 모식도. (b)충・방전과정 중 금속/n-type반도체(a-SnO2)/p-type반도체(PC60)구조에서의 전자이동에 대한 모식도 및 에너지도표.<사진=KIST 제공>
빠르게 충전 가능하고 수명이 긴 고용량의 리튬이온전지 소재가 개발돼 전기자동차와 드론에 사용될 수 있을 전망이다.

KIST(한국과학기술연구원·원장 이병권)는 이중기 에너지저장연구단 박사팀이 이차전지 소재 설계에 반도체 접합 구조 계면을 형성해 급속 충·방전 조건에서도 고용량, 긴수명이 가능한 리튬이온전지 음극 소재를 개발했다고 2일 밝혔다.

리튬이온전지는 밀도가 높아 무게가 가볍고 고용량의 전지를 만드는데 유리해 전기자동차의 전원으로 개발되고 있다. 하지만 오래 걸리는 충전시간, 반복되는 충·방전으로 인한 성능저하 문제가 있어 지속적인 신소재 개발이 필요한 상황이었다.

연구팀은 우선 열 증발·증착 장치를 사용해 우수한 탄성을 지니는 플라즈마 중합 탄소구조체를 제조하고 화학증착방법을 이용해 수 나노크기로 주석입자를 균일하게 분산시켜 새로운 이차전지 소재를 제조했다.

개발된 소재는 우수한 탄성을 지녀 충·방전 시 발생되는 부피 팽창을 극복할 수 있다는 장점이 있다. 또 분산된 주석 입자 주위에 형성된 산화주석막과 플라즈마 중합된 탄소구조체 사이에 형성된 반도체 접합 구조 계면은 리튬이온과 전자의 이동속도를 가속시켜 고출력, 고용량이 가능하게 한다.

연구팀은 이 원리를 전지에 적용, 충·방전 시 단위시간당 이동되는 리튬이온의 속도를 증가시키면서 계면저항을 최소화해 급속충전 상태에서 장시간, 고용량의 상태를 유지시킬 수 있음을 확인했다.

개발된 리튬이온전지용 음극재는 충·방전 시간 50분으로 5000회를 반복해도 97.18%의 성능을 유지, 기존 이차전지 대비 3배의 효율을 보였다.

이중기 박사는 "이번 연구에서 개발된 반도체 접합 구조 계면특성을 가진 리튬이차전지 음극재 합성 기법과 개선 방안은 차세대 급속 충전용 전기자동차, 무선이동원인 드론, 근력증강 로봇 등의 전원설계에 응용 가능하다"면서 "다른 무선 이동원의 핵심 디바이스 설계에도 새로운 접근방법을 제시할 것으로 전망된다"고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민)지원으로 KIST 기관고유사업, 한국연구재단 중견연구자사업을 통해 수행됐다. 결과는 학술지 ‘ACS Nano’ (IF: 13.942, JCR 분야 상위 3.082%) 최신호에 온라인 게재됐다.
 

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