UNIST,배터리용 고결정성 유기 음극 소재 개발
"가볍고 저렴… 전기차, 드론 등 응용 가능"
리튬 이온 배터리용 고결정성 유기 음극 소재를 개발한 강석주(왼쪽부터) UNIST 교수, 안석훈 KIST 박사, 하지호 UNIST 연구원. UNIST 제공
고속 충전 배터리 소재의 한계였던 용량과 가격 경쟁력을 높일 수 있는 유기 음극 소재가 개발됐다.
울산과학기술원(UNIST)은 강석주 에너지화학공학과 교수팀이 안석훈 한국과학기술연구원(KIST) 박사팀과 리튬 이온 배터리용 고결정성 유기 음극 소재 ‘Cl-cHBC’를 공동 개발했다고 19일 밝혔다.
흑연을 음극 소재로 쓰는 전기차 배터리는 겨울철 리튬이온의 확산 속도가 더뎌 충전 속도도 느려진다. 빠른 충전이 관건인 전기 버스 등에선 흑연 대신 리튬타이타네이트(LTO) 음극 소재가 들어간 배터리를 쓰지만 흑연보다 용량이 절반 수준으로 작고 가격도 비싼 문제가 있다.
이에 연구팀은 LTO 소재보다 가볍고 저렴하면서도 용량은 최대 1.5배 더 큰 고결정성 유기 음극소재 ‘Cl-cHBC’를 개발했다. 결정성이 떨어져 고온 후처리 과정이 필요한 기존 유기소재와 달리 반용매화 공정을 통해 낮은 온도에서도 고결정성을 보이는 유기 음극소재를 합성해 냈다. 반용매화(Anti-solvent Crystallization)는 용해도가 낮은 용매를 추가로 넣어 용질을 결정화 시키는 공정 방식이다.
개발된 고결정성 음극 소재는 빠른 리튬이온 확산속도와 높은 전기전도도를 지녔다. 미세구조의 규칙성인 결정성이 높아질수록 이온과 전자가 이동하는 길이 반듯해지는 것과 같은 효과를 얻기 때문이다. 덕분에 배터리 충전 속도는 빨라지고, 수명도 길어진다.
이 음극 소재를 각종 양극 소재와 짝지어 배터리를 제작한 결과 LTO 음극 소재를 썼을 때보다 약 67% 향상된 성능을 보였다. 특히 리튬인산철(LFP) 양극소재와 결합했을 때 높은 방전 전압(3.0V)을 나타냈다. 강 교수는 “수입 전기차에 주로 쓰는 LFP 양극소재 배터리는 가격경쟁력은 뛰어나지만 방전 전압, 즉 출력이 떨어지는 단점이 있었다”며 “개발된 소재는 가볍고 출력이 높아 전기차는 물론 드론 등 다양한 분야에 응용할 수 있다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단(NRF), 한국과학기술연구원(KIST), 과학기술사업화진흥원(COMPA)의 지원을 받아 이뤄졌다. 연구결과는 에너지 소재 분야 세계적 학술지인 에이씨에스 나노 (ACS Nano)에 지난달 21일에 출판됐다.
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