겨울철에도 빠르게 충전할 수 있는 유기 음극 소재가 국내 연구진에 의해 개발됐다.
19일 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 강석주 교수팀과 한국과학기술연구원(KIST) 안석훈 박사팀은 리튬이온 배터리의 음극 소재로 들어가는 값비싼 리튬타이타네이트(LTO) 소재보다 최대 용량이 1.5배 더 큰 고결정성 유기 음극소재 'Cl-cHBC'를 개발했다.
겨울철에는 전기차 배터리의 음극내 리튬이온의 확산 속도가 느려져 충전속도가 느리다. 이 문제를 해결하기 위해 전기버스 등에서는 흑연 대신 LTO를 음극 소재로 많이 사용했다. 하지만 티타늄 계열의 산화물인 LTO(Lithium Titanate Oxide) 소재는 흑연보다 용량이 절반 수준인 데다 비싸다.
이같은 문제를 해결하기 위해 연구팀은 LTO보다 용량이 1.5배 큰 고결정성 유기 음극 소재 'Cl-cHBC'를 개발했다. 유기 소재는 가격도 싸고 가볍다는 장점이 있지만, 고온 후처리를 통해 결정성을 높여야 하는 단점이 있다. 이에 연구팀은 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.
이렇게 개발된 고결정성 음극 소재는 빠른 리튬이온 확산속도와 높은 전기 전도도를 지녔다. 미세구조의 규칙성인 결정성이 높아질수록 이온과 전자가 이동하는 길이 반듯해지는 것과 같은 효과를 얻었기 때문이다. 또 결정성이 높을수록 수명도 길어진다. 이 덕분에 빠른 충전이 가능하며 출력도 좋아졌다.
다양한 양극 소재와 짝을 이뤄 배터리를 제작했을 때도 안정적인 성능을 확보했다. 특히 LFP 양극소재와 결합했을 때 높은 방전 전압(3.0V)을 보였다. 이는 LTO 음극 소재를 썼을 때보다 약 67% 향상된 성능이다. 기존 수입 전기차에 주로 쓰는 LFP 양극소재 배터리는 가격 경쟁력은 뛰어나지만 방전 전압, 즉 출력이 떨어지는 단점이 있다.
연구팀 "개발된 소재는 고온 후처리 공정 없이 저온에서 합성할 수 있어 상용화시 가격 경쟁력을 추가적으로 확보할 수 있을 것"이라며 "가볍고 출력이 높은 특성 때문에 전기차뿐만 아니라 드론 등 분야에서도 응용이 기대된다"고 강조했다.
이번 연구결과는 에너지 소재 분야의 세계적인 학술지인 '에이씨에스 나노'(ACS Nano)에 지난달 21일 게재됐다.
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