KAIST(한국과학기술원)는 20일 KAIST EEWS(Energy·Environment·Water·Sustainability) 대학원 강정구·김용훈 교수 공동 연구팀이 빠른 속도의 충·방전이 가능하고 1만 번 이상의 작동에도 용량 손실이 없는 리튬 이온 배터리 음극 소재를 개발했다고 밝혔다.

향후 전기자동차, 휴대용 기기 등 높은 출력과 긴 수명이 요구되는 분야에 응용 가능할 전망이다.

현재 음극 배터리 물질로는 그래핀이 가장 많이 사용된다. 용액 상에서 흑연을 분리시키는 것이 그래핀을 쉽게 만드는 방법 중 하나인 데 이 과정에서 결함 및 표면의 불순물이 발생해 전기 전도성을 높이는 데 방해가 된다. 연구팀은 화학 물질을 플라즈마, 열을 통해 박막을 형성하는 화학기상증착법을 이용해 문제를 해결했다. 기존의 평평한 형태가 아닌 결함이 적고 물성이 우수한 3차원 그물 형상의 그래핀을 제조하고, 그 위에 메조 기공(구멍)이 형성된 이산화티타늄 나노입자 박막을 입혀 복합 구조체를 만들었다.

연구팀은 3차원 그물 형상의 그래핀과 화학적으로 안정된 이산화티타늄 나노입자가 형성하는 다양한 크기의 기공들이 전해질의 접근성을 높여 이온들의 접근을 촉진, 전자의 이동을 원활하게 했다고 설명했다. 연구팀은 1분 이내에 130mA/g의 용량을 완전히 충·방전하는 데 성공했으며, 이 과정에서 용량 손실 없이 1만 번 이상 작동한다는 사실도 확인했다.

이 기술은 크기가 작은 나노 입자를 사용하기 때문에 표면부터 중심까지의 거리가 짧다 보니 짧은 시간 내에 결정 전체에 리튬을 삽입할 수 있어 빠른 충·방전 속도에서도 효율적인 에너지 저장이 가능하다.

강정구 교수는 "기존 3-4시간 걸리던 충전이 1분 이내 초고속 충전이 가능하다는 데 의미가 있다"면서 "구조적 측면에서도 향후 여러 에너지 저장장치 등의 분야에 활용 가능성이 클 것"이라고 말했다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부의 글로벌프론티어사업, 한국연구재단의 도약사업과 KISTI 슈퍼컴퓨팅의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제 과학 학술지 `어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)` 5월 18일자 온라인 판에 게재됐다. 김정원 기자

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