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

한국연구재단은 미래창조과학부 이공분야기초연구사업(일반연구자지원사업) 지원을 받은 조용훈 교수(강원대)와 엄지현 박사(성균관대) 연구팀이 물을 얼려 얻어낸 다공성 금속 구조체에 고용량 전극소재를 코팅하여 리튬이차전지의 일체형 전극을 확보, 기존 흑연 음극의 단위질량당 전하량 372미리암페어아우어(mAh/g)에 비하여 2배 향상시킨 750미리암페어아우어(mAh/g)의 용량을 얻는데 성공하였다고 17일 밝혔다.

최근 화석연료를 대신할 수 있는 청정에너지 개발 사업, 가령 전기 자동차와 같이 친환경 차량에 대한 관심이 증가하면서 에너지 저장장치인 리튬이차전지의 소형화, 경량화, 고성능화가 요구되고 있는 추세이다.

그러나 기존에 연구된 고용량 배터리는 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.

고성능 리튬이차전지를 개발하기 위해서는 고용량 소재를 구멍이 많은 다공성 구조이면서 동시에 에너지 밀도를 높일 수 있도록 빽빽하면서도 조밀한 구조로 디자인해야 한다.

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

또한 일체형 전극으로 전극 구조의 안정성을 확보했다. 여러 차례 실험을 통해 50회 이상 충전 및 방전 후에도 용량이 떨어지지 않고 g당 750미리암페어아우어(mAh) 이상의 안정적인 배터리 수명능력도 보여주었다.

조용훈 교수는 “이번 연구성과는 리튬이차전지의 고용량 전극소재 기술 확보를 통해 차세대 전기자동차의 대중화를 앞당길 수 있을 뿐만아니라 휴대폰, 노트북 등 소형 정보통신 장비의 전원장치로도 활용될 수 있을 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

이 연구는 세계적인 학술지 '네이처(Nature)' 자매지인 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports)' 온라인 판에 1월 4일 발표되었다.