포스텍 연구팀, ‘두꺼운 전극’ 한계 넘었다… 차세대 배터리 수명·용량 동시 잡았다

- 기능성 탄소나노튜브(CNT) 활용해 전극 두께 2배 키우고도 안정성 유지 - 양극·음극 간 ‘화학적 소통’ 유도로 전기차·ESS 성능 혁신 기대

왼쪽부터 박수진 포스텍 화학과 교수, 정재호 박사과정생, 김성호 연구원. 포스텍 
 

배터리의 용량을 키우기 위해 전극을 두껍게 만들면서도 성능과 수명을 유지할 수 있는 획기적인 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 기존 배터리 설계의 고질적 난제였던 ‘두께와 안정성 사이의 트레이드오프(상충 관계)’를 해결함으로써 차세대 고용량 배터리 상용화에 속도가 붙을 전망이다.

포스텍(POSTECH) 화학과 박수진 교수 연구팀은 서울대 한정우 교수팀과 공동으로 기능성 탄소나노튜브(CNT)를 활용해 두꺼운 전극에서도 안정적인 성능을 발휘하는 리튬금속 배터리 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 게재되며 학계의 주목을 받았다.

■ '막힌 도로' 같던 두꺼운 전극, CNT로 고속도로 뚫어

일반적으로 배터리 전극이 두꺼워지면 담을 수 있는 에너지 양은 늘어나지만, 이온이 이동해야 할 거리가 길어져 내부 저항이 급증한다. 이는 마치 도로는 넓지만 교차로가 막혀 차량 흐름이 정체되는 것과 같아, 배터리 수명을 단축시키는 주요 원인이 되어왔다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 '기능성 탄소나노튜브'에 주목했다. 전도성이 뛰어난 탄소나노튜브 표면에 이온 친화적인 고분자를 접착시켜 전극 내부에서 뭉치지 않고 고르게 퍼지도록 유도한 것이다. 이를 통해 전극 내부에 촘촘한 '전자 고속도로'가 형성되어 전극이 두꺼워져도 충·방전 속도가 저하되지 않는 결과를 얻었다.

■ 양극·음극 '화학적 소통'으로 안정성 극대화

이번 기술의 핵심은 단순히 통로를 만드는 데 그치지 않고, 양극과 음극의 경계면을 동시에 안정화했다는 점에 있다. 연구팀은 이를 '화학적 소통(Crosstalk)'이라 명명했다. 배터리 내부의 유해한 화학 반응을 조절해 양극의 구조 붕괴를 막는 동시에, 음극에는 균일한 보호막을 형성하도록 설계한 것이다.

실험 결과, 신기술이 적용된 전극은 기존(98㎛)보다 약 2배 두꺼운 190㎛ 두께에서도 성능 저하 없이 안정적인 구동이 가능함을 입증했다.

박수진 교수는 "전극을 두껍게 만드는 것은 고용량 배터리의 필수 조건이지만, 계면 불안정이 상용화의 큰 걸림돌이었다"며, "이번 성과가 전기차와 에너지저장장치(ESS) 등 차세대 대형 배터리의 설계 방향을 획기적으로 바꿀 것"이라고 강조했다.

<참고 자료>

- doi.org/10.1002/adma.202516395

<자료출처> 동아사이언스, 전자신문, 연합뉴스, 뉴스1, 매일신문, 경북도민일보, 중도일보, 뉴데일리, 이코노미사이언스