보도자료

2023. 10. 5 (목) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

적린·카본 코팅으로 고효율 흑연 음극재 만든다!

UNIST 이현욱 교수팀, 균일한 리튬 이온 농도로 배터리 안정성 확보
고속 충·방전 테스트서 99.8% 쿨롱 효율 보여… ACS Energy Lett. 게재

성냥개비 성분을 코팅시킨 저렴한 흑연 음극재가 새롭게 개발됐다. 흑연 음극재의 성능 향상으로 전기차, 항공, 고속 충전 전지 등 다양한 분야에 쓰일 수 있을 것으로 기대된다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 이현욱 교수팀은 기화-응결 방법을 이용해 적린과 카본이 코팅된 다공성 흑연 음극재인 ‘흑연-인 복합체’를 개발했다. 개발된 복합체는 적린과 카본 코팅층의 이점을 이용해 흑연 표면에 생성되는 전자와 리튬 이온의 전도도를 높인다. 향상된 전도도는 고속 충전 시 전극 표면에만 집중되던 리튬 이온을 확산시켜 충전을 균일하게 만든다. 배터리에 문제를 일으키는 수지상 형성을 억제해 배터리 안정성 또한 향상시켰다.

음극재 개발은 배터리 안정성에 있어 매우 중요하다. 흑연과 같은 음극은 충전할 때 생기는 리튬 농도 집중 현상으로 리튬의 이동이 제한된다. 이와 같은 충전의 불균일성은 상단부에 수지상 형성을 일으켜 배터리의 성능을 저하시킨다.

이현욱 에너지화학공학과 교수는 “이러한 비균일성을 완화하기 위해서 전극의 충전 과정에서 리튬 이온의 농도를 균일하도록 유도해주는 것이 중요하다”고 설명했다.

연구팀은 적린(붉은색 인)의 낮은 끓는점(280℃)을 활용해, 인 성분을 흑연 표면에 균일하게 기상 증착시켰다. 석영관을 녹여 흑연과 적린을 밀폐시킨 후 끓는점 이상으로 온도를 가하면 적린이 기화된다. 기화된 적린은 흑연을 균일하게 감싸게 되고, 온도를 내림으로써 증착이 이뤄진다. 특히, 원유를 분리할 때 생기는 잔류물인 ‘석유계 피치’를 추가로 코팅함으로써 적린의 부반응이 제어된 흑연-인 복합체가 완성된다.

연구팀은 개발한 복합체를 실시간 광학현미경으로 관찰하고 이미지 프로세싱을 통해 분석했다. 흑연은 충전에 따라 색상이 변화하는데, 개발된 흑연-인 복합체를 충전시킬 때 색상 분포가 깊이별로 균일해지는 것을 확인했다. 균일성 향상으로 고속 충전 시 수지상 형성 없이 안정적으로 충전됨을 광학현미경 영상을 통해 확인했다. 1,000싸이클 이상의 장기 고속 충·방전 테스트에서도 94.4%의 용량을 유지하고 99.8%의 쿨롱 효율을 보여 훌륭한 내구성 또한 확인했다.

이현욱 교수는 “흑연 기반의 음극재는 향후 10년간 리튬이온전지 시장을 주도할 것이다. 따라서 흑연의 에너지 밀도와 고속 충전을 위한 연구는 흑연 기반 음극재 시장의 핵심 인자라고 할 수 있다”며 “저렴한 적린과 카본을 코팅한 흑연 음극재의 개발로 배터리 시장에서 필요로 하는 부분을 충족시킬 수 있을 것이다”고 설명했다.

이번 연구는 울산과학기술원 미래선도형 특성화사업, 과학기술정보통신부·한국연구재단 신진연구사업의 지원으로 수행됐다. 에너지 소재 분야의 세계적인 국제학술지인 ‘ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’에 8월 29일자로 온라인 게재됐다.

(논문명: Mitigating Electrode-Level Heterogeneity Using Phosphorus Nanolayers on Graphite for Fast-Charging Batteries)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 우종민 담당 (052)217-1232

에너지화학공학과: 이현욱 교수 (052)217-2593

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

배터리에 대한 수요가 증가하고 성능에 대한 요구가 많아짐에 따라, 고속 충·방전에 대한 필요성이 강조되고 있다. 일반적으로 사용되는 흑연 음극재의 경우, 충전 시의 전압 대가 낮을 뿐 아니라, 반응의 느린 특성 때문에 전극 표면에 리튬이 쉽게 전착 되어 수지상 형성을 통한 내부 단락으로 배터리 열화가 이루어질 수 있다는 문제점이 있다.

이러한 관점에서 보았을 때, 전지 시스템에서 전극 충·방전 시의 균일성을 고려하는 것이 매우 중요하다. 리튬 이온의 농도가 표면에 집중되게 될 경우, 특히 고속 충전 시에 과량의 리튬이 과전압에 의해 흑연 층상 구조 내에 삽입되는 것이 아니라 표면에 전착 되게 된다. 따라서, 전극 내부로 리튬 이온을 잘 확산시키며 과전압을 유발하지 않는 방향으로 전극을 디자인하여야 고속 충전에 효과적인 시스템을 통해 성능을 향상할 수 있다.

2. 연구내용

연구팀은 흑연-인 복합체를 개발하여 흑연 음극재의 고속 충전 성능을 향상하였다. 기화-응집 합성법을 통해 흑연의 내부까지 인을 잘 코팅하였을 뿐 아니라, 카본 코팅을 이용하여 구조적인 안정성까지 구현하였다. 표면의 인은 먼저 반응하여 흑연 표면에 합금 층을 형성하게 되고, 이는 우수한 리튬 이온 전도성으로 표면을 통해 리튬 이온이 전극 내부로 잘 전달되도록 하는 역할을 했다.

또한, 연구팀은 흑연의 색상이 충전됨에 따라 변화한다는 것을 이용하여, 실시간 광학현미경에서의 색상 분포를 통해 전극 내부의 리튬 이온 분포를 분석하였다. 흑연-인 복합체의 경우 리튬 이온의 분포가 더 균일하게 나타났으며, 이러한 균일성이 고속 충전 시에도 수지상 형성을 억제함을 확인하여 코팅층의 우수한 리튬 확산 효과를 보여주었다. 이를 바탕으로 배터리 테스트를 진행한 결과, 고속 충·방전 시에 우수한 성능 향상이 일어남 또한 확인했다.

3. 기대효과

이번 연구에서는 고속 충전 시에 일어나는 열화의 원인 파악과 이에 대처하기 위한 흑연 전극 디자인을 성공적으로 진행하였다. 표면에 인/카본층을 코팅함으로써 입자 표면층의 높은 이온 전도도가 전극의 반응을 균일하게 만듦으로써 음극재의 고속 거동을 향상할 수 있음을 보여주었다. 이러한 결과는 전극의 불균일성을 해소하는 방향으로의 음극재 디자인이 매우 효과적으로 고속 충전 거동을 개선할 수 있음을 보여준다.

[붙임] 용어설명

1. 음극재 (Anode materials)

(-)극에 위치하여 (+)극인 양극에서 나오는 리튬 이온을 받아들이는 소재로, 대표적으로 흑연 전극이 있다.

2. 리튬 수지상 형성 (Lithium dendrites)

리튬 이온 전지 사용 시 음극에서 리튬이 전착 되며 나타나는 나뭇가지 모양의 결정상이 형성되는 것을 의미한다. 리튬 수지상의 성장은 내부 단락 및 화재의 원인이 된다.

3. 쿨롱 효율 (Coulombic efficiency)

배터리 충·방전 시 충전 대비 방전 용량의 비율을 나타낸다. 배터리의 성능을 평가하는 지표 중 하나로 널리 이용된다.

[붙임] 그림설명

그림1. 흑연과 흑연-인 복합체의 저속 및 고속 충방전 성능 비교.

충·방전 시의 흑연과 흑연-인 복합체의 고속 충전에 따른 과전압과 전극 내부 확산 양상을 비교한 그림이다. 고속 충전 시 표면의 리튬 이온 집중 현상으로 인해 과전압이 커지는 흑연에 비해, 흑연-인 복합체의 과전압이 현저히 줄어든 것을 보여준다. 또한, 실시간 광학현미경 관찰을 통해, 고속 충전 시 흑연 전극의 표면에 수지상 리튬이 전착이 되는 반면에, 흑연-인 복합체는 내부로 리튬 이온이 잘 확산되며 반응이 진행되는 모습을 보여준다.

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