기존의 리튬이차전지 기술에 비해 충전 시간을 최소 30분의 1 ~ 최대 120분의 1로 단축시킬 수 있고, 단 6초만에 50%의 전지용량을 사용할 수 있는 전극소재 원천기술이 국내 연구진에 의해 개발되었다.
울산과학기술대학교(UNIST)의 친환경에너지공학부 조재필 교수가 주도하고 이상한 박사과정생 등이 참여하여 금번에 개발한 신기술은 교육과학기술부가 지원하는 ‘신기술융합형 성장동력사업’을 수행하는 과정에서 일궈낸 연구결과로서 화학분야의 권위있는 학술지인 ‘앙게반테 케미 국제판(Angewandte Chemie International Edition)’에 8월 8일자로 게재되었다.
특히 이번 논문은 혁신적인 연구 결과와 이차전지소재 분야의 파급효과를 인정받아 HOT PAPER로 선정되는 영예도 함께 안았다.
※ 논문명 : 「Carbon-Coated Single-Crystal LiMn2O4 Nanoparticle Clusters as Cathode Material for High-Energy and High-Power Lithium-Ion Batteries」
조재필 교수팀이 개발한 신기술은 리튬이차전지*의 출력과 용량을 동시에 획기적으로 높인 새로운 양극소재 합성법이다.
일반적으로 이차전지용 전극소재는 분말 형태인데 이 분말 입자의 크기를 줄임으로써 충방전 속도를 빠르게 할 수 있지만 이는 곧 전극의 밀도를 떨어트려 전지의 용량은 줄어들게 되는 단점이 있다.
본 연구 에서는 유기용매를 첨가한 수열 합성법으로 20나노 크기의 미세 입자(1차)를 낮은 온도에서 단시간에 제조하였고,
– 수열 합성법 : 액상 합성법의 하나로 물 또는 수용액을 이용하여 고온고압 하에서 물질을 합성하는 방법을 말함 (압력밥솥과 비슷한 원리). 본 연구에서는 끓는점이 낮은 유기 용매(에탄올 메탄올 등)를 추가하여 더 낮은 온도에서 단시간에 활물질 미세입자를 제조 하였음.
수크로즈 라는 흑연전구체가 포함된 용액에 충분히 분산 시킨 후 재 응집 시켜 내부에 흑연 전구체가 포함된 적절한 크기의 2차 입자를 제조 하였다. 이를 약 600도에서 열처리하게 되면 2차입자 내부의 수크로즈가 흑연화 되면서 입자내부에 전도성 네트워크가 형성 되게 되고 동시에 나노 미세입자의 높은 표면 에너지로 인하여 분말의 밀도가 높아지게 된다. 일반적인 활물질의 경우 충방전 반응(전기화학반응)이 표면부터 내부에 까지 순차적으로 일어나는 반면 분말 내부에 흑연 네트워크가 형성된 경우에는 분말 내부의 모든 미세입자들이 동시다발적으로 반응에 참여하여 매우 빠른 충방전이 가능 해진다.
연구팀은 이같은 방법을 양극소재 합성법을 개발하여 전극의 밀도를 높이면서(기존 나노소재 대비 1.4배 상승) 동시에 수득률이 높고(기존 나노소재 대비 1.2배 상승) 화학적으로 손쉽게 합성할 수 있을 뿐 아니라 충전시간을 기존의 기술에 비해 획기적으로 단축시킬 수 있고 짧은 시간(6초)에 50%의 전지용량을 사용할 수 있는 전극소재 원천기술개발에 성공하였다.
조재필 교수는 ‘본 연구는 현재 리튬이온 이차전지의 충방전 속도의 한계를 뛰어넘을 획기적인 사례이며 이 같은 방법을 다양한 물질에 적용하여 이차전지 전극물질 제조에 도입함으로써 1분내 완전 충전 가능한 전기자동차용 이차전지의 개발에 한층 더 다가설 것’이라고 연구 의의를 밝혔다. 또한 관련 기술은 국내외 특허 출원을 완료하였다고 밝혔다.
