초고속 충전 가능한 리튬이온 배터리 나온다

1분 이내에 130mAh/g 용량을 완전히 충·방전에 성공…스마트폰 20초만에 충전

▲3차원 그물 형상의 그래핀위에 증착된 메조기공을 형성하는 이산화 티타늄 박막 복합 구조체의 모식도.[사진제공=카이스트]

[아시아경제 정종오 기자] 초고속으로 충전이 가능한 리튬이온 배터리 소재가 개발됐다. 1분 이내에 130mAh/g의 용량을 완전히 충·방전하는데 성공했다. 이는 스마트폰을 충전하는데 약 20초 밖에 걸리지 않는다는 것을 말해준다. 전기 자동차 베터리의 경우 용량에 따라 차이가 있는데 현재 3~4시간 걸리는 충전시간도 획기적으로 줄어들 것으로 전망된다.

카이스트(총장 강성모) EEWS 대학원 강정구, 김용훈 교수 공동 연구팀이 빠른 속도의 충·방전이 가능한 동시에 1만 번 이상의 작동에도 용량 손실이 없는 리튬 이온 배터리 음극 소재를 개발했다. 3차원 그물 형상의 그래핀과 6나노미터 크기의 이산화티타늄 나노입자로 구성된 복합 구조체를 간편한 공정으로 제조하는 기술이다.

탄소계열 물질 중심의 기존 전극이 갖고 있던 고출력 성능이 제한되는 문제를 개선했다. 고성능의 배터리 전극을 구현했다. 앞으로 전기자동차, 휴대용 기기 등 높은 출력과 긴 수명을 요구하는 분야에 응용 가능할 것으로 기대된다.

현재 음극 배터리 물질로는 그래핀이 가장 많이 사용된다. 이 그래핀을 쉽게 만드는 방법은 용액 상에서 흑연을 분리시키는 방법이다. 이 과정에서 결함과 표면의 불순물이 발생해 전기 전도성을 높이는데 방해가 된다. 연구팀은 문제 해결을 위해 화학기상증착법을 이용해 기존의 평평한 형태가 아닌 결함이 적고 물성이 우수한 3차원 그물 형상의 그래핀을 제조했다. 그 위에 메조 기공이 형성된 이산화티타늄 나노입자 박막을 입혀 복합 구조체를 구현했다.

이 기술로 일반적 전극 구성물질인 유기 접착제와 전도성 재료를 사용하지 않음으로써 전극 제조 공정을 간소화했고 전기 전도성을 높였다. 또 3차원 그물 형상의 그래핀과 화학적으로 안정된 이산화티타늄 나노입자가 형성하는 다양한 크기의 기공들이 전해질의 접근성을 높이는 역할을 한다. 이를 통해 이온들의 접근을 촉진시키고 원활한 전자의 이동이 가능하다.

이 기술은 크기가 작은 나노 입자를 사용하기 때문에 표면부터 중심까지의 거리가 짧다. 따라서 짧은 시간 내에 결정 전체에 리튬을 삽입할 수 있어 빠른 충, 방전 속도에서도 효율적인 에너지 저장이 가능하다. 연구팀은 1분 이내에 130mA/g의 용량을 완전히 충·방전하는데 성공했다. 이 과정에서 용량 손실 없이 1만 번 이상 작동함을 확인했다.

강정구 교수는 "재료의 물성을 극대화시킬 수 있는 구조적 설계를 통해 기존 이차전지의 문제점을 해결하고 성능을 효과적으로 높이는 방법을 제시했다"며 "재료 물리학 측면에서 가치가 높은 연구 결과이고 구조적 측면에서도 앞으로 여러 에너지 저장장치 분야에 활용 가능성이 클 것"이라고 말했다.

정종오 기자 ikokid@asiae.co.kr