포스텍과 한국에너지기술연구원(KIER)의 공동 연구팀은 초고속 충전과 고에너지 밀도를 요구하는 배터리 기술의 한계를 극복할 수 있는 차세대 음극 재료를 개발했습니다. 포스텍 박수진 교수는 연구의 중심 인물로, 이번 연구 결과는 ACS Nano 학술지에 발표되었습니다.

현재 리튬이온배터리(LIB)에서 가장 널리 사용되는 음극 재료인 그래파이트는 안정적인 구조적 특성을 제공하지만, 낮은 이론 용량과 느린 충방전 속도 등의 한계가 존재합니다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 **경질 탄소(hard carbon)**와 **주석(Sn)**을 결합한 새로운 전극 디자인을 제시했습니다. 경질 탄소는 미세기공이 많아 리튬과 나트륨 이온의 빠른 확산을 돕고, 높은 에너지 밀도와 기계적 강인성을 제공하여 고속 충전과 긴 수명을 요구하는 배터리 응용에 적합한 재료입니다.

 주석을 음극 재료에 포함시키는 데는 도전이 있었습니다. 주석 입자가 작을수록 충방전 사이클에서 발생하는 부피 팽창을 줄일 수 있지만, 주석의 낮은 융점(230°C) 때문에 미세한 입자를 합성하는 것이 어려웠습니다. 이에 연구팀은 졸-겔(sol-gel) 공정을 사용해 주석을 10nm 이하의 나노입자로 균일하게 분포시키는 방법을 개발하여 전극의 안정성과 성능을 향상시켰습니다.

이 기술은 주석 나노입자가 활성 물질로서만 작용하는 것이 아니라, 경질 탄소의 결정화 촉진제 역할도 한다는 장점이 있습니다. 전기화학적 사이클링 중, Sn–O 결합이 가역적으로 형성되면서 배터리 용량을 향상시키는 전환 반응을 돕습니다.

 실험 결과, 이 전극은 리튬이온 배터리에서 1,500회 이상의 사이클을 유지하며, 20분 초고속 충전 조건에서도 안정적인 성능을 발휘했습니다. 또한, 기존 그래파이트 음극보다 1.5배 높은 부피 에너지 밀도를 달성한 성과를 거두었습니다. 이는 고출력, 고에너지, 긴 수명이라는 배터리의 핵심 특성을 한 전극에서 통합한 혁신적인 결과입니다.

특히, 이 전극은 **나트륨이온배터리(SIB)**에서도 뛰어난 성능을 보였습니다. 나트륨 이온은 기존의 그래파이트나 실리콘 음극 재료와 잘 반응하지 않지만, 경질 탄소와 주석의 나노복합체 구조는 나트륨 환경에서도 우수한 안정성과 빠른 반응 속도를 유지하며 다양한 배터리 플랫폼에서 활용 가능성을 입증했습니다.

 박수진 교수는 "이번 연구는 차세대 고성능 배터리 개발의 중요한 이정표로, 전기차, 하이브리드 시스템, 그리드 규모 ESS 등 다양한 분야에서 활용될 가능성을 제시합니다"라고 말했습니다. 또한, KIER의 송규진 박사는 "고출력, 안정성, 에너지 밀도를 동시에 갖춘 음극을 구현한 것은 재충전 가능한 배터리 시장의 전환점이 될 것입니다"라고 덧붙였습니다.

이번 연구는 박수진 교수, 최성호 박사, 한동엽 박사와 송규진 박사가 공동으로 진행한 결과로, 차세대 배터리 기술에 중요한 기여를 할 것으로 기대됩니다.

[발췌: 공감언론 뉴시스]