▲ KRISS-건국대 공동연구팀이 산화철을 이용해 초기 쿨롱 효율과 용량을 획기적으로 향상시킨 리튬이온 배터리 소재를 개발했다. 왼쪽부터 KRISS 소재융합측정연구소 서종혁 연구학생, 권지환 선임연구원, 건국대학교 김연호 교수.

한국표준과학연구원(KRISS)은 소재융합측정연구소와 권지환 박사팀과 건국대학교 김연호 교수팀이 공동연구를 통해 리튬이온 배터리의 초기 쿨롱 효율과 용량을 획기적으로 개선시킨 산화철 나노구조체를 개발했다고 28일 밝혔다.

쿨롱 효율은 최근 충전한 용량이 바로 직전에 충전을 완료한 용량과 대비해 차지하는 비율을 말한다. 이번에 공동연구팀은 지금까지 발표된 산화철 중 가장 높은 약 85.4%의 초기 쿨롱 효율을 달성했다.

가전제품 등 다양한 분야서 널리 이용되는 리튬이온 배터리는 빠른 충전과 지속성, 가볍고 높은 출력 밀도 및 친환경성을 구현키 위한 연구가 지속해 진행중이다.

산화철은 지구에 풍부하게 존재하며 독성이 적고 화학적으로도 매우 안정된 물질이기 때문에 리튬이온 배터리 소재로 다양한 연구가 진행돼 왔다. 산화철을 비롯한 전이금속산화물은 기존 흑연 소재보다 3배에서 4배 정도 큰 용량을 갖는 장점이 있다.

하지만 낮은 리튬 이동도, 큰 부피 변화, 낮은 초기 쿨롱 효율 등 단점 때문에 실제 개발은 매우 제한적이다.

이번에 KRISS와 건국대학교 공동연구팀은 쿨롱 효율 극복법을 개발해 기존 산화철 리튬이온 배터리의 단점을 극복했다.

공동연구팀은 산화철에서 리튬이온의 이동을 향상할 수 있도록 메조다공성(mesoporous)의 형상으로 소재를 만들고 산화철 내부에서도 리튬이 잘 이동할 수 있도록 기공을 일렬로 정렬시켜 나노 터널을 만들었다.

이 터널과 표면의 많은 기공을 통해 리튬이온은 쉽게 이동할 수 있어 기존 리튬이온 소재보다 월등히 향상된 전기화학적 특성을 갖는다.

또 공동연구팀은 투과전자현미경과 포항가속기를 활용해 리튬이온 배터리의 충·방전에 따른 소재의 미세구조를  분석, 초기 충·방전 과정에서 형성된 특정 구조가 전기화학반응에서 중요한 역할을 한다는 사실을 규명했다.

향후 차세대 이차전지 성능을 크게 향상시킬 수 있는 이번 연구결과는 국제 학술지인 '에이씨에스 서스테이너블 케미스트리 앤 엔지니어링(ACS Sustainable Chemistry & Engineering, IF: 8.198)'에 12월 서플리멘터리 커버 논문으로 선정됐다.(논문명:Reversible Conversion Reactions of Mesoporous Iron Oxide with High Initial Coulombic Efficiency for Lithium-Ion Batteries)

KRISS 소재융합측정연구소 권지환 선임연구원은 "기존 소재의 단점을 개선하고 배터리 용량을 향상시킨데 이어 공동연구팀이 개발한 소재 구조가 좋은 특성을 나타내는 이유와 근거도 규명해 냈다"며 "이번 성과를 응용해 다양한 종류의 리튬이온 배터리 소재가 개발돼 차세대 배터리 시장이 더욱 활성화될 수 있기를 기대한다"고 말했다.

뉴시스  newsis.com

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