IBS 나노입자연구단 연구팀
나노입자로 저장능력 30% 향상
충·방전 500회에도 고출력 유지
나노입자로 저장능력 30% 향상
충·방전 500회에도 고출력 유지
IBS(기초과학연구원)은 나노입자연구단(단장 현택환·사진) 연구팀이 수 나노미터 크기의 이산화티타늄 나노입자를 이용해 기존 배터리 용량 한계를 극복할 수 있는 최적화된 음극 소재의 나노구조를 제작하는 데 성공했다고 10일 밝혔다.
리튬이온전지는 가볍고 에너지 밀도가 비교적 크면서 전력손실이 적어 휴대용 전자기기와 전기자동차 등에 널리 쓰인다. 배터리를 사용할 때(방전)는 음극에 포함된 리튬이온이 양극으로 이동해 작동하며, 충전 시에는 정반대로 반응한다.
리튬이온 전지의 용량을 높이려면 전극을 획기적으로 개선해야 하기 때문에 업계에서는 기존 흑연 전극을 대체할 새로운 소재로 이산화티타늄에 주목하고 있다.
격자구조를 지닌 이산화티타늄은 격자 사이사이에 리튬이온을 저장할 수 있어 배터리 용량을 높이는 데 최적의 구조를 지니고 있다. 아울러 흑연에 비해 저렴하고, 안정적이면서 친환경적이다.
하지만, 이산화티타늄을 음극으로 구현한 기존 리튬이온 전지의 용량은 이론상 용량의 절반 수준에 그친다는 점이 상용화의 걸림돌이었다.
연구팀은 나노 이산화티타늄 입자가 집합체 형태로 모여 속이 빈 구 형태의 2차 입자를 형성할 때 가장 안정적이면서 효율적으로 리튬을 저장한다는 사실을 알아냈다. 화학적으로 안정적이면서 높은 용량을 구현하기 최적화된 구조를 띠고 있음을 찾아낸 것이다. 연구팀은 이 나노구조를 음극으로 적용해 저장 성능을 30% 이상 향상시키면서 500회 이상 충방전을 반복해도 고용량 고출력 성능을 유지할 수 있는 리튬이온전지를 개발했다. 또한 리튬저장 능력을 월등히 높이면서 폭발 등 장기적으로 안전에 문제가 없다는 점도 실험을 통해 확인했다.
성영은 나노입자연구단 부연구단장은 "나노입자의 성능 한계와 안정성, 안전문제 등을 모두 해결할 수 있는 새로운 방향을 제시한 연구성과로, 나노입자를 활용해 배터리 성능을 향상시키는 데 기여할 것"이라고 말했다. 한편 이번 연구성과는 화학분야 최고 권위지인 '미국화학회지(JACS, 지난달 27일자)' 온라인판에 실렸다.
대전=이준기기자 bongchu@
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