겨울철에는 전기차 배터리의 충전 속도가 느려진다. 배터리 음극 내 리튬이온의 확산 속도가 느려지기 때문이다. 이런 이유로 전기버스 등 빠른 충전이 중요한 이동 수단은 음극 소재로 흑연 대신 LTO 소재가 들어간 배터리를 사용한다. LTO는 흑연보다 용량이 절반 수준으로 작지만 가격은 더 비싸다.
UNIST 에너지화학공학과 강석주 교수팀과 한국과학기술연구원(KIST) 안석훈 박사팀은 19일 고속 충전 배터리의 이같은 한계를 극복할 수 있는 리튬이온배터리용 고결정성 유기 음극 소재를 개발했다고 밝혔다.
연구팀은 LTO 소재보다 최대 용량이 1.5배 더 큰 고결정성 유기음극소재 ‘Cl-cHBC’를 개발했다. 유기 소재는 가격이 싸고 가볍지만, 결정성이 떨어진다. 결정성은 물질 내부 입자가 질서있게 배열된 정도를 의미하는데, 이는 전기 전도성에 중요한 역할을 하기 때문에 결정성을 높이기 위해 고온 후처리가 필요하다. 연구팀은 이번 연구에서 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. 이 덕분에 빠른 충전이 가능하며, 출력도 좋아졌다. 결정성이 높을수록 수명도 길어진다.
다양한 양극 소재와 짝을 이뤄 배터리를 제작했을 때도 안정적인 성능을 확보했다. 수입 전기차에 주로 쓰는 LFP 양극소재 배터리는 가격경쟁력은 뛰어나지만 방전 전압, 즉 출력이 떨어지는 단점이 있지만, 이번 연구팀이 개발한 소재는 LFP양극소재와 결합했을 때 높은 방전 전압(3.0V)을 보였다. LTO 음극 소재를 썼을 때보다 약 67% 향상된 성능이다.
공동연구팀 “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 설명했다. 이번 연구는 UNIST 에너지화학공학과 하지호 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구결과는 에너지 소재 분야의 세계적인 학술지인 에이씨에스 나노 (ACS Nano)에 지난달 21일에 출판됐다. 연구 수행은 한국연구재단(NRF), 한국과학기술연구원(KIST), 과학기술사업화진흥원(COMPA)의 지원을 받아서 이뤄졌다.
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