리튬이온전지(Lithium Ion Battery)는 밀도가 높아 무게가 가볍고 고용량의 전지를 만드는데 유리해 전기자동차용 전원으로 개발되고 있으나 주유시간에 비해 상대적으로 매우 긴 충전시간, 그리고 반복되는 충·방전 과정을 거치면 원래 지니고 있는 성능이 현격하게 감소되는 문제가 있다. 따라서 산업계에서는 급속충전이 가능하고 오랫동안 성능저하 없이 사용될 수 있는 우수한 효율의 소재 개발이 요구되어왔다. 최근 국내 연구진이 고속충전이 가능하면서도 장시간 사용해도 고용량, 고출력을 유지하는 리튬이온전지용 음극 신소재를 개발하여 주목을 받고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 에너지저장연구단 이중기 박사팀은 이차전지 소재 설계에 있어서 반도체 접합 구조 계면을 형성하여 급속 충·방전 조건하에서도 고용량, 장수명이 가능한 신개념 리튬이차전지 음극 소재를 개발하였다. 반도체 접합 구조 계면이란 단결정 안에서 서로 다른 특성의 반도체가 접해 있는 구조. 즉, 비정상 반도체(P형)와 정상 반도체(N형)가 접해 있는 P-N 접합구조(P-N junction)를 말한다.

▲(a) Sn-PC60전극의 구조 및 자가완화특성에 대한 모식도 (b) 충･방전과정 중 금속/n-type반도체(a-SnO2)/p-type반도체(PC60)구조에서의 전자이동에 대한 모식도 및 에너지도표

KIST 연구진은 우선 열 증발·증착 장치를 사용하여 아주 우수한 탄성을 지니는 플라즈마 중합 탄소구조체를 제조하고, 이와 동시에 화학증착방법을 이용하여 수 나노크기로 주석입자를 균일하게 분산시켰다. 연구진은 위와 같이 두 개의 상이하게 다른 복합공정을 이용하여 새로운 개념의 이차전지 소재를 제조하였다. 이 소재는 우수한 탄성을 지녀 충·방전 시 발생되는 부피팽창을 극복할 수 있고, 나노 분산된 주석 입자 주위에 형성된 산화주석막과 플라즈마 중합된 탄소구조체 사이에 형성된 반도체 접합 구조 계면은 전극 내에 전하가 걸려있을 때 이동되는 리튬이온과 전자의 이동속도를 가속시켜 고출력, 고용량이 가능하게 할 수 있다. 이 원리를 전지에 적용하면 충ㆍ방전 시 단위시간 당 이동되는 리튬이온의 속도를 증가시키면서도 계면저항을 최소화시킴으로서 급속충전 상태에서도 장시간 고용량 상태를 유지시킬 수 있다.

실제로 이 연구를 통해 개발된 리튬이온전지용 음극재는 충·방전 시간 50분으로 약 5000회를 반복하여도 97.18%의 성능(기존 이차전지 대비 약 3배)을 유지했다. 또한 급속 충·방전 시간인 4분으로 실험했을 때, 기존 이차전지 대비 1.5배의 성능을 보였고, 충·방전 350회의 반복에도 99% 이상의 성능 유지를 나타내는 현상을 실험적으로 확인하였다.

KIST 이중기 박사는 “이 연구에서 개발된 반도체 접합 구조 계면특성을 가진 리튬이차전지 음극재 합성 기법 및 개선 방안은 차세대 급속 충전용 전기자동차 및 무선이동원인 드론, 근력증강 로봇 등의 전원설계에 응용 가능하고, 다른 무선 이동원의 핵심 디바이스 설계에도 새로운 접근방법을 제시할 것으로 전망된다.“고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부지원으로 KIST 기관고유사업, 한국연구재단 중견연구자사업을 통해 수행되었으며, 연구 결과는 국제 학술지인 ‘ACS Nano’ 최신호에 온라인 게재되었다.