[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

리튬이온배터리의 음극 소재로 널리 쓰이는 흑연은 저렴하고 안정적이지만, 고속 충전과 장시간 사이클 구동에서 성능 저하가 발생하는 한계가 있다. 특히 층간 간격이 좁아 리튬이온 확산이 제한되고, 높은 전류 조건에서 전극 표면에 리튬 금속이 석출되는 문제가 수명 저하로 이어진다. 이를 보완하기 위한 대안으로 곡면 나노그래핀(cHBC) 계열 유기 소재가 제안되었으나, 낮은 전기 전도도와 체적 밀도로 인해 단독 사용에는 한계가 있었다.

2.연구내용

연구팀은 곡면 나노그래핀(Cl-cHBC)과 상용 흑연(MCMB)을 1:1 비율로 혼합해 새로운 하이브리드 음극을 제작했다.이 과정에서 두 소재는 균일하고 조밀한 전극 구조를 형성하며, 각자의 장점을 동시에 발휘할 수 있는 기반을 마련했다. 성능 평가 결과, 이 하이브리드 음극은 고속 충전 조건에서도 기존 흑연 대비 4배 이상 높은 용량을 확보해 빠른 충·방전 특성을 입증했다. 또한 단결정 NCM811 양극과 결합한 풀셀 및 파우치셀 실험에서도 2,100회 이상 충·방전을 반복한 뒤에도 안정적인 성능을 유지하며 장기 구동 가능성을 보여주었다. 아울러 밀도범함수이론(DFT) 계산과 분자동역학(MD) 시뮬레이션을 통해 리튬이온이 곡면 나노그래핀 층과 흑연 내부로 단계적으로 삽입되는 순차적 경로를 규명함으로써, 하이브리드 구조의 우수한 성능을 뒷받침하는 이론적 근거도 함께 제시했다.

3.기대효과

이 연구에서 개발한 하이브리드 소재는 단순 혼합 공정로 제작이 가능해 기존 흑연 기반 전극 제조 인프라와 호환된다는 점에서 산업적 확장성이 크다. 또 연구에서 제시한 순차 삽입 메커니즘은 빠른 충전과 장기 안정성을 동시에 만족하는 차세대 음극 설계 전략으로 활용될 수 있을 것이다. 곡면 나노 그래핀의 화학적 기능을 추가하는 방식으로 쉽게 특성을 바꿀 수 있어, 리튬이온전지뿐만 아니라 나트륨 이온 전지의 음극 개발 등에도 쓸 수 있을 것이다.

[붙임] 용어설명

1.리튬이온배터리

상용 전자기기나 전기차에 쓰이는 반복적 충방전이 가능한 전지. 양극과 음극 사이에서 리튬이온이 오가며 전기를 저장하고 방전한다. 충전할 때는 외부 전원에서 밀려온 전자가 음극으로 이동하고, 양극에서 빠져나온 리튬이온이 전해질을 거쳐 음극으로 들어가 전자와 만나 리튬 원자로 저장된다.

이때 충전 속도를 결정하는 요인은 전자보다 훨씬 느리게 움직이는 리튬이온이다. 전자는 전극 내부에서 빠르게 전달되지만, 리튬이온은 층간 간격이나 확산 거리, 전극 구조에 따라 이동이 제한되기 때문이다. 특히 고속 충전 시에는 리튬이온이 충분히 내부로 확산하지 못하고 음극 표면에서 전자와 만나 금속 리튬으로 석출될 수 있다. 이렇게 쌓인 ‘데드 리튬’은 다시 충·방전에 쓰이지 못해 배터리 용량이 줄고, 장기적으로 수명 단축으로 이어진다.

2.Cl-cHBC (Chlorine-substituted Contorted Hexa-Benzocoronene)

클로린(Cl)이 치환된 휘어진 헥사벤조코로넨. 평면 그래핀이 아닌 활처럼 비틀린 곡면 구조의 유기 분자로, 층간 간격이 넓고 빈 공간이 많아 리튬이온이 빠르게 드나들 수 있는 특성을 갖는다.

3.MCMB (Mesocarbon MicroBeads)

구형 흑연계 상용 음극 소재. 전기 전도도가 높고 제조 공정이 안정적이어서 리튬이온배터리의 대표적인 음극 소재로 사용된다.

4.순차적 리튬 삽입(Sequential Li-ion insertion)

Cl-cHBC 층간 → Cl-cHBC/흑연 계면 → 흑연 내부 순으로 리튬 이온이 단계적으로 삽입되는 현상. 순차 삽입은 리튬이온이 한 번에 한 곳에 몰려 들어가는 게 아니라, 나노그래핀 층 → 계면 → 흑연 층 순서로 분산되면 특정 영역에 과부하가 걸리지 않아 표면에서 리튬 금속이 석출되는 현상을 줄일 수 있다. 그 결과 충·방전을 오래 반복해도 구조가 안정적으로 유지돼 수명이 길어진다. 또한 여러 삽입 경로를 활용하기 때문에 동일한 전극에서 더 많은 리튬을 저장할 수 있어 용량 확보에도 유리하다.

5.파우치셀

얇고 유연한 알루미늄 라미네이트 필름을 전지 외피로 사용하는 전지 형태. 경량화와 자유로운 형상 설계가 가능해 전기차와 모바일 기기 배터리에 쓰인다.

6.SC-NMC811

단결정 리튬 니켈 망간 코발트 산화물 양극 소재. “811”은 니켈(Ni), 망간(Mn), 코발트(Co)의 비율이 80:10:10임을 의미한다. Ni:Mn:Co의 비율이 80:10:10이며, 높은 에너지 밀도와 안정성으로 전기차 배터리 양극으로 주로 활용된다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 곡면 나노그래핀–흑연 하이브리드 음극의 순차 삽입 개념도 곡면 나노그래핀(Cl-cHBC)(좌측)은 층간 간격이 넓어 리튬이온이 빠르게 드나들 수 있고, 흑연(MCMB)(우측)은 전자가 잘 흐르는 경로를 제공한다. 두 소재가 섞인 하이브리드 구조(중앙)에서는 리튬이온이 나노그래핀 층에 먼저 들어갔다가 흑연으로 이동하는 ‘순차 삽입’이 일어나, 고속 충전과 장기 안정성을 동시에 확보할 수 있다.

그림2.곡면 나노그래핀과 흑연 혼합 비율에 따른 전극 단면 현미경(SEM) 이미지 1:1 혼합 전극에서 낮은 표면 거칠기와 높은 밀도를 확보하여 균일하고 조밀한 구조를 형성했다.

그림3. 고성능 하이브리드 음극을 적용한 배터리 풀셀의 성능 평가 a) 단결정 NCM811 양극과 1:1 하이브리드 음극을 조합한 풀셀의 충방전 곡선(노란색은 곡면 나노그래핀, 회색은 흑연의 기여 용량을 표시). b) 1:1 하이브리드 음극을 적용한 풀셀의 속도 성능(C-rate) 평가. c) 다양한 C-rate 조건에서의 충·방전 특성. d) 고전류 (5C) 조건에서 순수 곡면 나노그래핀, 하이브리드, 순수 흑연 음극을 적용한 풀셀의 장수명 사이클 성능 비교. e) 하이브리드 음극의 1000회 사이클 후 단면 SEM 이미지.