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에너지연구원, 수명 늘리고 안전한 리튬 배터리 기술 확보

등록 2023.03.22 11:22:23

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고용량·고안정성 전극소재 기술 개발

상용 LTO 배터리 대비 1.5배 높은 용량

[대전=뉴시스] 에너지연구원이 개발한 신규 D-LTO 전극 재료가 적용된 하이브리드 커패시터 시작품. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 에너지연구원이 개발한 신규 D-LTO 전극 재료가 적용된 하이브리드 커패시터 시작품. *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 한국에너지기술연구원은 고온에너지전환연구실 김현욱 박사팀이 리튬 배터리의 용량과 안정성을 개선한 전극소재 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

이 기술을 활용하면 상용 LTO 배터리 대비 1.5배 높은 용량을 갖고 반복적인 충방전에도 용량감소가 거의 일어나지 않는다.

LTO 전극은 1-3V의 작동전압 범위를 가지며 반복적 충방전시에도 구조적으로 변화가 없어 높은 안정성을 가져 고율속 배터리 소재로 활용되고 있지만 낮은 방전용량과 1.5V의 높은 전압 평탄부(Voltage Plateau)를 갖고 있어 배터리의 에너지 밀도 향상에는 제한이 있다.

 용량 상승을 위해 작동전압 범위를 확장하면 방전 용량이 개선되지만 작동전압을 내릴 경우 LTO 구조가 불안정해지고 용량이 급격히 감소하는 문제가 있다.

 연구진은 문제 해결을 위해 리튬이온과 티타늄 전구체를 합성시켜 다공성 LTO를 만들고 이를 고온에서 열처리해 기공 내부에 있는 용매분자가 제거된 산소 결함을 갖는 고결정성의 LTO를 만들었다.

개발한 LTO 전극 재료로 반쪽전지의 코인셀을 제작하고 0.01V~3V 작동전압에서 전기화학적 특성을 평가한 결과, 산소 결함을 갖고 있는 LTO가 상용 LTO에 비해 약 1.5배 높은 243mAh/g의 방전 용량을 갖는 것을 확인했다.

 또 충방전 사이클에 따라서 상용 LTO는 급격한 방전 용량 감소가 일어나는 반면, 산소 결함이 있는 신규 LTO 전극 재료는 1C조건에서 100회의 싸이클에서도 초기 용량의 95%를 유지해 뛰어난 율속 특성을 보였다.

이번 연구결과는 재료과학기술 분야의 세계적인 학술지인 ‘응용 표면 과학(Applied Surface Science)’에 최근 게재됐다.(논문명:Defective lithium titanate oxide with stable cycling over a wide voltage window)

연구진은 후속 연구로 개발된 신규 LTO 소재를 적용해 저온에서 작동 가능한 리튬이온전지 및 슈퍼레독스 커패시터를 개발 중이다.

저온형 전지는 향후 기존 배터리가 작동하지 못하는 극저온의 온도영역에서도 자유롭게 사용할 수 있는 고안정성 배터리로 활용 가능할 것으로 기대된다.

김현욱 박사는 "이번에 개발한 신규 LTO 전극 재료는 배터리 산업에 핵심적인 역할을 할 수 있는 원천소재"라며 "온도 변화가 급격한 외부 환경에 장기간 노출되는 자동차, ESS, 자율독립전원, 정보통신기기 등에 사용될 수 있을 것으로 본다"고 말했다.


◎공감언론 뉴시스 [email protected]

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