▲ (左부터)조용훈 강원대학교 교수, 3D 다공성 전극을 제조하기 위한 프리즈 캐스팅과 졸-겔 합성의 모식도..

친환경 용매 '물'로 얻은 금속전극을 이용해 리튬이차전지의 용량을 현존 최고 수준으로까지 끌어올린 기술이 개발되었다.

한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 이공분야기초연구사업(일반연구자지원사업) 지원을 받은 조용훈 교수(강원대)와 엄지현 박사(성균관대) 연구팀이 물을 얼려 얻은 다공성 금속 구조체에 고용량 전극소재를 코팅해 리튬이차전지의 일체형 전극을 확보, 기존 흑연 음극의 단위질량당 전하량 372mAh/g에 비해 2배 향상시킨 750mAh/g의 용량을 얻는데 성공했다고 밝혔다.

최근 친환경 차량에 대한 인식 증가와 함께 에너지 저장장치인 리튬 이차전지의 소형화 및 경량화와 함께 고성능화(고밀도 및 고출력)가 요구되고 있다.

현재 고용량 배터리 소재들은 충전 또는 방전 시 많은 리튬 이온을 저장하기 어렵고 기존보다 최대 4배에 달하는 전극의 부피팽창으로 전기적 합선(단락)과 급격하게 성능이 저하되는 여러 문제점을 가지고 있었다.

이를 해결하기 위해 부피팽창에 완층 역할을 하는 탄소나노튜브나, 그래핀등 탄소계 소재들을 고용량 소재에 도입해 복합재 디자인 방향과, 다공성 전극 구조가 가질 수 있는 빈공간에 적절히 가질 수 있도록 전극을 디자인하는 방향이 이어지고 있다.

그러나 복합재로의 형성은 고용량 소재보다 이론용량이 낮은 탄소계 소재도입으로 복합재의 전체적 요량을 낮춘다는 한계와 다공성 전극의 낮은 체적 밀도가 문제로 지적되고 있었다.

궁극적으로는 고성능 리튬이차전지 개발에는 고용량의 소재의 고출력화 특성 구현이 매우 중요한데, 다공성 구조이면서도 동시에 체적 에너지 밀도를 높일 조밀한 구조의 디자인이 관건이다.

이에 연구팀은 물에 녹인 금속 분말을 얼렸다가 얼음만 제거해 다공성 3차원 구조의 금속 구조체를 얻는 방식인 '프리즈 캐스팅' 법을 활용해 고용량 전극 소재를 새롭게 개발해냈다.

이 3D 구조체에 산화주석을 증착한 일체형 전극은 50회의 충전/방전에서 용량이 떨어지지 않고 g당 750mAh 이상의 안정적인 배터리 수명능력도 보여주었다. 또한 활물질인 산화주석의 증착도 CVD가 아닌 습식합성법인 졸-겔법으로 비용 효율적인 접근에 성공했다.

연구팀은 프리즈 캐스팅법은 금속의 반응성과, 나노입자의 물 분산성에 대한 까다로움을 가져 지금까지의 프리즈 캐스팅 방법이 적용된 전극에는 카본 소재 계열의 한계가 있었으나, 이번 연구에는 이를 뛰어넘는 금속 구조체를 세계 최초로 사용한 것으로 안정적인 성능과 우수한 밀도도 지금까지 보고된 주석기반의 전극중 최고 성능에 버금간다고 밝혔다.

이어 연구진은 “다공성 전극을 이용하여 용량과 출력특성이 우수한 전극의 디자인을 개발하고 이를 통하여 전기자동차의 대중화에 필수적인 고성능 전극소재 문제를 해결하고 싶다”고 밝혔다.