"전기차 배터리 수명 늘린다" UNIST, 대용량 전극소재 개발

이현우 교수팀 '리튬 이온 배터리용 양극 소재' 개발

실시간 투과전자현미경으로 성능 향상 원리 밝혀…네이처 게재

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 울산과학기술원(UNIST)는 에너지 및 화학공학부의 이현욱 교수팀이 영국 옥스퍼드대 마우로 파스타(Mauro Pasta) 교수팀과 공동으로 '고용량 리튬 이온 배터리용 양극 소재(FeF₂ nanorod)'를 개발했다고 25일 밝혔다. 양극소재의 충방전에 따른 구조변화 이미지 (그림=UNIST 제공) [email protected]

[울산=뉴시스]구미현 기자 = 국내 연구진이 전기자동차에 들어갈 '대용량 배터리' 성능을 높일 전극 소재를 개발했다.

지난해 노벨화학상을 받은 존 구디너프 박사가 1985년 제안한 형태에서 큰 진전이 없이 쓰이던 양극 소재의 개선에 주요한 역할을 할 것으로 기대된다.
 
울산과학기술원(UNIST)는 에너지 및 화학공학부의 이현욱 교수팀이 영국 옥스퍼드대 마우로 파스타(Mauro Pasta) 교수팀과 공동으로 '고용량 리튬 이온 배터리용 양극 소재(FeF₂ nanorod)'를 개발했다고 25일 밝혔다.

투과전자현미경(TEM)을 이용해 충전과 방전 과정을 실시간으로 관찰할 결과, 양극 소재 표면에 생기는 얇은 막이 성능 향상에 중요한 역할을 한다는 게 드러났다.
 
리튬 이온 배터리는 리튬 이온이 양극과 음극을 오가며 전기 에너지를 충전하고 방전한다. 리튬을 양극 물질과 화학적으로 결합하면 에너지 용량을 키울 수는 있지만, 배터리 수명이 감소한다는 단점이 있다. 리튬과 양극 물질이 결합할 때(방전)보다 분리될 때(충전) 들어가는 에너지가 훨씬 커 충·방전을 반복하면 전극 구조가 불안정해지고 수명도 짧아지는 것이라고 연구팀은 설명했다.

공동연구팀은 양극 소재의 제조 공정을 개선해, 리튬과 양극 물질이 화학적으로 결합하면서도 충·방전 시 필요한 에너지 차이를 줄인 '이플루오르화철(FeF₂) 나노 막대 양극 소재'를 합성했다.
 
콜로이드 합성법(colloidal synthesis)을 이용해, 20나노미터(㎚, 1㎚는 10억 분의 1m) 수준인 단결정(single crystal) 양극 소재를 만든 것이다. 이 소재는 리튬을 더 많이 저장하면서도 수명은 길다.

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = '고용량 리튬 이온 배터리용 양극 소재'를 개발한 UNIST 이현욱 교수와 위태웅 연구원(왼쪽부터) 2020.02.25. (사진=UNIST 제공)[email protected]

이현욱 교수팀은 새로운 양극 소재의 충·방전 과정을 '실시간 투과전자현미경 분석법'으로 분석해 성능 향상의 비밀을 찾아냈다. 양극 소재의 표면에 철(Fe)과 리튬플로라이드(LiF)로 이뤄진 얇은 이중층이 만들어져 충·방전 동안 양극 소재를 보호해주는 현상이 포착된 것이다.

이현욱 교수는 "차세대 고용량 양극 소재는 도전적인 과제라 음극 소재에 비해 연구가 미흡한 편"이라며 "실시간 투과전자현미경 분석법으로 고용량 양극 소재에 대한 이해도를 높인 만큼, 앞으로는 양극 소재에 관한 연구도 늘어나야 할 것"이라고 전했다.

이번 연구는 재료 분야 국제 학술지인 '네이처 머티리얼즈(Nature Materials)'에 24일자로 공개됐다.


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