경상국립대 김선식 연구원, 정현영 교수

[경남데일리=황민성 기자] 경상국립대학교 융합기술공과대학 에너지공학과 정현영 교수팀이 3분 안에 충전과 2만 회 충·방전이 가능한 금속산화물 기반 리튬 배터리 음극을 개발했다.

연구 성과는 최상급 나노 분야 학술지 ≪에이씨에스 나노(ACS NANO)≫ (IF=15.881) 최신호에 ‘양자 크기의 금속산화물 에어로 필름 음극을 이용한 리튬이온 배터리 초고속 충전 및 장수명 실마리 발견(Unlocking Rapid Charging and Extended Lifetimes for Li-Ion Batteries Using Freestanding Quantum Conversion-Type Aerofilm Anode)’이라는 제목으로 게재됐다.

지금까지는 리튬이온 배터리를 80%까지 충전하는 데 15분 걸렸다. 경상국립대 정현영 교수팀이 개발한 금속산화물 기반의 음극은 3분 안에 충전이 가능한 초고속 충전 특성을 보였다. 

이는 휘발유 자동차를 5분 안에 충전하는 것보다 빠르게 충전이 가능한 것으로, 리튬 이온 배터리의 충전 한계를 극복한 획기적인 성과로 평가되고 있다.

연구진이 개발한 금속산화물 음극은 2만 회까지 안정적으로 작동하였으며, 이는 리튬이온 배터리가 1000회 충·방전이 가능한 것의 20배 향상된 수명이다.

연구진이 개발한 음극은 20C의 충전 속도에서 548mAh g-1의 성능을 보였으며, 이는 현재 상용화한 흑연 음극이 갖는 0.2C(5시간 충전)의 충전 속도에서 372mAh g-1의 성능 한계를 뛰어넘는 월등한 성능향상이다. 

결과적으로 이 기술은 상용화한 배터리보다 10배 이상 매우 빠른 충전 속도에서 1.5배 이상의 성능을 보인 수준 높은 기술로 평가된다.

정현영 교수 논문 관련 그림

지금까지 금속산화물 기반 음극은 상용 흑연전극의 한계를 극복할 대안으로 알려졌지만 충·방전 시 부피 팽창에 의한 비가역성 증가와 낮은 전기전도성이라는 한계를 가지고 있었다.

이를 개선하기 위해서 경상국립대 정현영 교수팀은 금속산화물을 양자 크기로 컨트롤하고 이를 탄소 구조체에 매우 균일하게 분포시켰으며 최초로 탄소-주석을 화학적으로 결합시키는 원천 기술을 개발했다. 

이를 통해 양자산화주석 입자와 탄소 사이에 전자가 더 빠르게 전달되어 고속 충전에 기여하도록 했다.

제1저자인 김선식 석사과정생은 “전극을 매우 가벼운 형태로 경량화하여 에너지 저장 소자의 무게를 획기적으로 줄일 수 있었으며 특히 수명 안전성과 고용량 특성을 나타내기 때문에 드론, 전기자동차, 항공기 및 첨단기기 산업에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.”라고 말했다.

지도교수인 정현영 교수는 “이번 연구가 고속 충전 리튬이온 전지 연구에 대한 실마리를 제공하고 시장이 요구하는 전기 자동차 배터리로 가는 이정표 역할을 하여 실용화로 이어지기를 바란다.”고 밝혔다.

이 연구 성과는 과학기술정보통신부 기초연구실 지원사업과, 교육부·한국연구재단 지역대학 우수과학자 지원사업 후속 연구의 지원을 받아 수행했다.

황민성 기자  hcs@kndaily.co.kr

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