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‘힘세고 오래 가는’ 리튬이온전지 나온다

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‘힘세고 오래 가는’ 리튬이온전지 나온다

2015.05.28 18:00
이진우 포스텍 화학공학과 교수와 황종국, 조창식 연구원(왼쪽부터). - 포스텍 제공
이진우 포스텍 화학공학과 교수와 황종국, 조창식 연구원(왼쪽부터). - 포스텍 제공

국내 연구진이 용량과 효율을 높여 힘세고 오래 가는 충전지 소재를 개발했다.


이진우 포스텍 화학공학과 교수팀은 기존보다 3배 이상 충전용량이 큰 리튬이온전지 전극 소재를 새로 개발했다고 28일 밝혔다.

 

최근 스마트기기 사용량이 증가하고 전기자동차가 차세대 이동수단으로 각광받으면서 충분한 전력을 공급할 수 있는 전지를 개발하는 것이 중요해졌다. 하지만 현재 사용 중인 리튬이온전지의 흑연 전극은 충전용량에 한계가 있다.

 

흑연 전극을 대체하기 위해 충전용량이 큰 게르마늄 산화물이 주목받고 있지만 충방전 과정에서 부피가 계속 변하면서 전극이 손상되기 때문에 수명이 짧고, 전기를 흘려보내는 능력이 좋지 않은 단점이 있었다.

 

전자현미경으로 게르마늄 산화물과 게르마늄 금속, 탄소 복합체를 확대한 모습. 곳곳에 기공이 발달해 있는 모습이 보인다. - 포스텍 제공
전자현미경으로 게르마늄 산화물과 게르마늄 금속, 탄소 복합체를 확대했다. 곳곳에 기공이 발달한 모습을 확인할 수 있다. - 포스텍 제공

연구진은 이 문제를 해결하기 위해 2~50나노미터(nm·10억 분의 1m) 단위의 구멍이 고르게 퍼져 있는 게르마늄 산화물에 금속, 탄소를 더한 전극 소재를 개발했다.

 

이 소재는 충전 과정에서 게르마늄과 리튬이 반응하면서 부피가 증가해도 뚫려있는 구멍이 좁아지면서 전극이 손상되는 것을 막아준다. 방전될 때는 부피가 줄어들면서 구멍이 원래대로 돌아온다. 특히 전지를 사용할수록 리튬산화물이 생겨서 충전용량이 떨어지는데 게르마늄 금속과 탄소가 리튬산화물 분해를 돕는 장점이 있어서 오래 사용할 수 있다.

 

실험 결과 기존 흑연 전극과 비교해 3배 이상 충전용량이 증가하는 사실을 확인했다. 현재 사용하고 있는 리튬이온전지 음극을 이 소재로 바꾸면 충전용량이 30~40%가량 늘어나고, 전해질과 양극 소재까지 개선할 경우 최대 3배까지 전지 용량을 개선할 수 있다.

 

이 교수는 “용량이 크고 오래 가는 리튬이온전지를 상용화하는 발판을 마련한 것”이라며 “소재의 생산 단가를 낮추고 입자의 크기와 모양을 제어하는 추가 연구가 필요하다”고 말했다.

 

연구 결과는 국제학술지 ‘ACS 나노’ 4월 13일자 온라인판에 게재됐다.

 

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