▲ (上) 리튬 티탄황화물-리튬 티탄산화물 나노복합체의 사진과 (B) 합성장비 모식도 (下)(A) 리튬 티탄산화물에 리튬 황화물이 복합화될 수록 색이 짙어지며, 이는 리튬 티탄산화물보다 리튬 티탄황화물-리튬 티탄산화물 나노복합체의 전기전도도가 증가한 것을 나타냄. (B) 리튬 티탄산화물을 소량의 이황화탄소를 함유하고 있는 아르곤 기체 분위기하 450 ℃에서 2시간동안 가열하여 리튬 티탄황화물을 내포하고 있는 리튬 티탄산화물 나노복합체를 합성함..

국내 연구진이 이차 전지 내부에 전기전도도 높은 산화물을 사용해 기존 소재들보다 방전 용량이 높은 전지를 개발해 고용량·출력 축전지, ESS 연구의 큰 도움이 될 것으로 보인다.

한국연구재단(이사장 정민근)은 “국내 연구진이 리튬 이온 전지 등 차세대 전기에너지 저장장치의 성능을 기존 대비 1.4배 향상시켜 경제성을 높인 새로운 전극 소재 합성법을 개발하였다”라고 밝혔다.

이화여대 황성주 교수 연구팀은 간단한 방법을 통해서 기존 전극소재의 전도성을 획기적으로 높이는 연구를 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 기초연구지원사업(중견연구자지원)을 통해 수행했다.

리튬이온전지는 소형전자제품 뿐만 아니라 전기자동차 전원으로 고출력·고용량화 방안이 연구되고 있는데 리튬보다 매장량이 많은 나트륨이온전지가 차세대 전지로 주목받고 있다.

그중 리튬 티탄 산화물은 뛰어난 내구성으로 전기자동차용 이온전지 및 차세대 ESS의 전극소재로 가장 적합한 재료로 여겨지고 있다.

그러나 리튬 티탄산화물은 낮은 전기전도도로 빠른 충전시 산화물의 방전용량이 급격히 감소하는 문제점이 있어 이를 극복하기 위해 다양한 시도들이 제시되었지만 한계에 부딪히곤 했다.

이에 연구진은 리튬 티탄산화물 내부에 리튬 티탄 황화물을 형성시켜 고 전기전도도를 가지게하는 고용량 리튬 티탄 황화물 이온전지를 개발했다. 종전의 금속-산소의 결합보다 금속-황의 결합이 더 높은 전기 전도도를 가져 가능한 일이었다.

연구진은 개발된 나노 복합체를 리튬 이온전지의 전극 소재로 사용했을 때, 기존 전극 소재인 리튬 티탄 산화물보다 방전 용량이 1.4배 증대했다고 밝혔다.

또한 전극 소재의 전기 전도성을 높이기 위해, 최근 각광받고 있는 그래핀을 첨가하는 것보다, 금속 칼코겐화물을 금속산화물 내부에 형성시키는 본 복합화 기술을 이용하면 전극 소재 생산비용이 절감되었다.

뿐만 아니라 리튬 이온 전지 외에 나트륨 이온 전지, 금속-황 전지, 금속-공기 전지, 연료전지, 고용량 축전지 등 차세대 에너지 저장 장치로 거론되는 기술의 고용량 · 고출력화를 위한 연구 기반을 마련한 것으로도 평가할 수 있는 것으로 나타났다.

황성주 교수는 “리튬 이온 전지 외에 나트륨 이온 전지, 금속-황 전지, 금속-공기 전지, 연료전지, 고용량 축전지 등 차세대 에너지 저장 장치로 거론되는 기술의 고용량·고출력화를 위한 연구 기반을 마련한 것에도 연구의 의의가 있다”라고 밝혔다

한편, 연구 결과는 재료과학 분야의 우수 학술지인 어드밴스드 펑셔널 메테리얼즈(Advanced Functional Materials) 8월 18일 자에 표지 논문으로 게재되었다.