|
|
|
고속 충전 배터리 소재의 한계였던 용량과 가격 경쟁력을 높일 수 있는 유기 음극 소재가 개발됐다. UNIST 에너지화학공학과 강석주 교수팀과 한국과학기술연구원(KIST) 안석훈 박사팀은 리튬이온배터리용 고결정성 유기 음극 소재를 개발했다고 19일 밝혔다. 겨울철에는 전기차 배터리의 충전 속도가 느려진다. 배터리 음극내 리튬이온의 확산 속도가 느려지기 때문이다. 이 때문에 빠른 충전이 중요한 전기버스등에선 음극 소재로 흑연 대신 LTO 소재가 들어간 배터리를 쓴다. 하지만 LTO 는 흑연보다 용량이 절반 수준으로 작고 가격도 비싼 문제가 있다. 연구팀은 LTO 소재보다 최대 용량이 1.5배 더 큰 고결정성 유기 음극소재 ‘Cl-cHBC’를 개발했다. 유기 소재는 가격도 싸고 가볍다는 장점이 있지만, 결정성이 떨어져 고온 후처리를 통해 결정성을 높여야 한다. 연구팀은 반용매화 공정을 통해 낮은 온도에서도 고결정성을 보이는 유기 음극소재를 합성해 냈다. 반용매화(Anti-solvent Crystallization)는 용해도가 낮은 용매를 추가로 넣어 용질을 결정화 시키는 공정 방식이다. 개발된 고결정성 음극 소재는 빠른 리튬이온 확산속도와 높은 전기전도도를 지녔다. 미세구조의 규칙성인 결정성이 높아질수록 이온과 전자가 이동하는 길이 반듯해지는 것과 같은 효과를 얻기 때문이다. 이 덕분에 빠른 충전이 가능하며, 출력도 좋아졌다. 결정성이 높을수록 수명도 길어진다. 다양한 양극 소재와 짝을 이뤄 배터리를 제작했을 때도 안정적인 성능을 확보했다. 특히 LFP양극소재와 결합했을 때 높은 방전 전압(3.0V)을 보였다. 이는 LTO 음극 소재를 썼을 때보다 약 67% 향상된 성능이다. 수입 전기차에 주로 쓰는 LFP 양극소재 배터리는 가격경쟁력은 뛰어나지만 방전 전압, 즉 출력이 떨어지는 단점이 있다. 공동연구팀 “개발된 소재는 고온 후처리 공정 없이 저온에서 합성할 수 있어 상용화시 가격 경쟁력을 추가적으로 확보할 수 있을 것”이라며 “가볍고 출력이 높은 특성 때문에 전기차뿐만 아니라 드론 등 분야에서도 응용이 기대된다”고 설명했다. 이번 연구는 UNIST 에너지화학공학과 하지호 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구결과는 에너지 소재 분야의 세계적인 학술지인 에이씨에스 나노 (ACS Nano)에 지난달 21일에 출판됐다. 연구 수행은 한국연구재단(NRF), 한국과학기술연구원(KIST), 과학기술사업화진흥원(COMPA)의 지원을 받아서 이뤄졌다. (논문명: Highly Crystalline Contorted Coronene Homologous Molecule as Superior Organic Anode Material for Full-Cell Li-ion Batteries) |
|
[붙임] 연구결과 개요 |
1.연구배경 유기 소재는 가볍고 저렴하며 성질을 쉽게 바꿀 수 있어 리튬이온배터리(LIBs)에 중요한 역할을 한다. 특히 고분자 소재는 배터리의 안정적인 작동을 돕는 바인더와 분리막으로 사용된다. 하지만 유기 음극 소재는 전기가 잘 통하지 않고 전해질에 잘 녹아 사이클 안정성이 낮아 실제 배터리 음극 소재로 쓰기 어렵다. 유기 음극 소재의 문제를 해결하기 위해 구조적 안정성과 반도체 특성을 가진 결정성 저분자가 주목받고 있으며, 특히 다환 방향족 탄화수소(PAHs)는 리튬 이온의 삽입과 탈리를 원활히 하여 음극 소재로 가능성을 보여준다. 또한, PAHs의 구조를 할로겐화나 메톡시 치환으로 조정하면 전지의 전기화학적 특성을 개선할 수 있어 기존 무기 음극 소재와 비교해도 성능이 우수하다. Cl-cHBC1)는 리튬 이온, 나트륨 이온, 칼륨 이온 배터리 음극 소재로 활용 가능하며, 리튬 이온 배터리에서는 높은 전류 밀도에서도 우수한 용량과 성능을 보여 기존 흑연 음극 및 고비용 LTO2)의 한계를 극복할 수 있다. 하지만, 결정성을 높이기 위해 고온 열처리가 필요한 점이 문제로, 이를 대체할 새로운 제작 방식이 개발된다면 기존 음극 소재를 대체할 잠재력이 있다. 반용매 결정화 기술을 적용하면 열처리 없이 고결정성 Cl-cHBC를 얻을 수 있어 제조 공정이 단순화되고 소재의 전기화학적 성능이 향상된다. 이를 LFP, LCO, NMC811 같은 양극 소재와 결합하면 출력 밀도, 안정성, 고속 충방전 등 우수한 전기화학적 특성을 기대할 수 있다. 2.연구내용 연구팀은 반용매 결정화 기술을 적용해 열처리 없이 고결정성 Cl-cHBC를 제작했으며, 이로 인해 분자 손상을 방지하고 소재의 결정성을 크게 향상시켰다. 개발된 소재의 구조적 특성을 분석하기 위해 연구팀은 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscopy)3)을 활용하여 Cl-cHBC의 결정 형상을 관찰했다. SEM 분석 결과, 기존 유기 음극 소재와 달리 Cl-cHBC는 고결정성을 유지하면서도 균일한 나노구조를 형성하는 것이 확인되었다. 고결정성 Cl-cHBC 음극은 하프셀(Half Cell)에서 낮은 방전 전압(0.4 V vs. Li/Li+)을 보였다. 또 높은 확산 계수를 기반으로 기존 LTO 및 흑연계 음극인 MCMB(Mesocarbon Microbeads) 음극보다 뛰어난 전기화학적 성능을 나타냈다. 특히, LFP 양극과 결합해 풀셀(Full Cell)을 만들었을 때 3.0 V의 높은 방전 전압과 함께 우수한 충·방전 속도와 사이클 안정성을 보여 출력 밀도와 에너지 밀도 모두에서 향상된 성능을 제공했다. 또한, LCO와 SC-NMC811 같은 고전압 양극과 결합한 경우에도 탁월한 전기화학적 특성을 나타냈다. 3.기대효과 반용매 결정화 기술은 Cl-cHBC와 같은 유기 음극 소재의 고결정성을 효과적으로 확보하면서 기존의 열처리 공정을 대체하여 제조 공정을 단순화하고 생산성을 획기적으로 향상시킬 수 있다. 특히, 낮은 방전 전압과 높은 확산 계수를 갖춘 Cl-cHBC 음극 소재는 다양한 양극 소재와 결합하여 기존 흑연 및 LTO 음극 소재의 한계를 극복하고 차세대 배터리 기술의 상용화를 가속화할 잠재력을 가지고 있다. 이 기술은 고속 생산성과 에너지 절감 효과를 통해 경제적 이점을 제공함과 동시에, 보다 효율적이고 친환경적인 에너지 저장 시스템 개발에 기여할 것으로 기대된다. |
[붙임] 용어설명 |
1.리튬이온배터리 양극과 음극 사이를 리튬이온이 이동하면서 전기를 저장하고 방출하는 이차전지이다. 충전시에는 리튬이온이 양극에서 출발해 음극으로 이동하고, 전기를 뽑아쓰는 방전시에는 반대 방향으로 이동한다. 2.Cl-cHBC(Cl-contorted Hexabenzocoronene) 염소(Cl)가 치환된 휘어진 헥사벤조코로넨. 헥사벤조코로넨은 육각형의 벤젠 고리 13개가 벌집 모양으로 배열된 대칭적인 구조를 말한다. 기존에 이 소재를 배터리 음극 소재로 쓰기 위해서는 결정성을 개선하기 위한 열처리 과정이 필요했다. 이 과정에서 추가적 비용이 들고, 고열에서 분자 손상이 발생하는 문제가 있다. 3.LTO (Lithium Titanium Oxide, 리튬타이타네이트) 배터리를 구성하는 음극재 소재. 이 소재를 사용하면 충전 속도가 빠르고, 긴 수명을 가지지만, 용량이 낮고 전압이 낮아 출력 성능이 제한된다. 4.주사전자현미경(Scanning Electron Microscopy) 고에너지 전자빔을 시료 표면에 주사하여 물질의 표면 구조와 형상을 나노미터(nm) 수준에서 고해상도로 관찰할 수 있는 장비이다. 5.LFP(Lithium Iron phosphate, 리튬인산철) 배터리를 구성하는 양극재 소재. 가격경쟁력이 있지만 이 소재를 써서 배터리를 만들면 용량이 적고, 출력이 낮다. 6.LCO (Lithium Cobalt Oxide, 리튬코발트산화물) 배터리를 구성하는 양극재 소재 종류 중 하나 7.SC-NMC811( Single Crystal Lithium Nickel Manganese Cobalt 811) 대용량 양극재 소재로 단결정 리튬 니켈 망간 코발트이다. “811”은 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co)의 비율이 80:10:10임을 의미한다. |
[붙임] 그림설명 |
그림1. 반용매 결정화 기술로 합성된 고결정성 Cl-cHBC 음극과 개발된 음극의 장점. 그림2. 각 제조방식에 따른 Cl-cHBC 결정성 비교 반용매 결정화 기술로 제작된 Cl-cHBC의 결정성 차이를 설명하기 위한 전자현미경 분석 그림3. 고결정성 Cl-cHBC 음극을 적용한 리튬 이온 배터리의 전기화학적 성능 a) Cl-cHBC 음극과 LFP, NMC, LCO 양극의 에너지 다이어그램. 다양한 양극 소재와 조합을 이룰 수 있음을 보여줌. b) 0.1C에서 Cl-cHBC||LFP와 LTO||LFP의 충·방전 곡선. 개발된 음극을 적용한 배터리는 상용 LTO 전극을 적용한 배터리보다 더 높은 방전 전압을 보였으며, 이는 출력 성능의 향상으로 이어짐. c) 다양한 C-rate에서 사이클 성능테스트로, 다양한 충전속도(C-rate)에서도 용량을 안정적으로 유지함을 보여줌. d) 장수명 테스트, e, f) Cl-cHBC 음극과 LCO 및 SC-NMC811 양극 조합의 충·방전 속도 및 쿨롱 효율 테스트 |
![]() |
UNIST 홍보팀 news@unist.ac.kr TEL : 052)217-1230FAX : 052)217-1229 |