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나노입자로 리튬이온전지 용량 30%높였다

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나노입자로 리튬이온전지 용량 30%높였다

2018.12.10 22:53
이산화티타늄 나노 구조체의 리튬이온 저장 메커니즘. - 자료: 기초과학연구원(IBS)
이산화티타늄 나노 구조체의 리튬이온 저장 메커니즘. - 자료: 기초과학연구원(IBS)

국내 연구진이 리튬이온전지의 용량을 30% 이상 늘리는 데 성공했다. 500회 이상 충·방전을 반복해도 성능을 유지할 수 있어 고성능 전기차 개발에 속도가 붙을 것으로 기대를 모으고 있다.

 

현택환 기초과학연구원(IBS) 나노입자연구단장 연구팀은 흑연을 대체할 음극소재로 주목받고 있는 이산화티타늄(TiO2) 나노입자를 이용해 용량이 크고 오래 가는 리튬이온전지를 구현할 새로운 음극소재를 개발하는 데 성공했다고 10일 밝혔다. 리튬이온전지는 음극의 리튬이온이 양극으로 이동하면서 방전되고 반대 반응으로 충전되는 원리로 작동한다.
 
차세대 리튬이온전지 음극재로 떠오른 이산화티타늄은 격자 사이사이에 리튬을 저장할 수 있다는 장점이 있다. 흑연보다 싸고 안정적이며 친환경적이다. 하지만 기존에 이산화티타늄을 음극으로 사용한 리튬이온전지 용량은 이론 용량의 절반 수준에 그쳤다.


연구진은 수 ㎚(나노미터·1㎚는 10억 분의 1m) 크기의 이산화티타늄 나노입자의 크기와 구조를 바꿔가며 다양한 구조를 합성하면서 리튬이온수송 과정을 분석했다. 그 결과 용량이 극대화 되는 최적의 구조를 찾아냈다. 이산화티타늄 입자가 속이 빈 구 형태를 이루는 집합체를 형성할 때 가장 안정적이고 효율적으로 리튬이온을 저장했다.


이렇게 만든 리튬이온전지는 용량이 기존보다 30% 크고 500회 이상 충·방전을 반복해도 성능을 그대로 유지할 수 있다. 현 단장은 “속이 빈 구 형태의 이산화티타늄 나노 구조체가 표면에서 일어나는 리튬 이온과의 불필요한 화학 반응은 최소화 해 리튬이 내부에 저장되는 비중을 높여 준다”며 “나노 구조체가 초과로 저장된 리튬을 효과적으로 안정화시켜 주기 때문에 기존 음극재보다 수명이 길고 안전하다”고 설명했다. 


이번 연구 결과는 배터리 폭발 등 안전문제를 해결하는 데도 도움이 될 것으로 기대된다. 성영은 IBS 나노입자연구단 부연구단장은 “나노입자의 성능 한계와 안정성, 안전문제를 모두 해결할 수 있는 새로운 방향을 제시한 것으로 이번 연구에서 개발된 구조는 이산화티타늄뿐 아니라 모든 나노입자에 적용가능하다”며 “나노입자를 활용해 배터리 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 길이 열린 것”이라고 말했다.


연구 결과는 국제학술지 ‘미국화학회지(JACS)’ 11월 27일자 온라인판에 게재됐다.

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