다공성 그래핀·주석·이산화 타이타늄 일체형 전극

리튬이온배터리(LiB)는 최근 전기차에 많이 사용되면서 수요가 점차 늘고 있다. 하지만 다소 낮은 배터리 용량과 충전시간이 길다는 문제점이 있는데, 국내 연구팀이 고용량·장수명 리튬이온배터리 소재 개발에 성공해 주목을 끌고 있다.

국민대학교 신소재공학부 이현정 교수 연구팀과 박수진 포스텍 교수 연구팀은 공동연구를 통해 배터리의 성능과 안정성을 두루 갖춘 소재를 개발했다고 최근 밝혔다.

연구팀에 따르면, 현재 사용되는 흑연 음극은 이론적 용량이 낮고 고속충전 조건에서 음극 표면에 리튬 금속이 석출돼 배터리의 성능과 안정성을 낮추는 문제점이 있었다. 흑연을 대신할 음극 소재로 리튬이온과의 합금 반응이 가능한 주석이 있는데, 주석은 이론적으로 용량이 크면서도 가볍고 높은 에너지를 가질 수 있는 전극 소재다. 하지만 충·방전시 큰 부피 변화로 인해 파손이 쉬워 리튬이온의 전달 특성과 전극의 안정성 확보가 쉽지 않았다.

이런 문제를 해결하기 위해 연구진은 다공성 그래핀에 주석과 이산화 타이타늄(Titanium Dioxide)이 차례로 코팅돼 있는 전극을 개발했다. 이 전극은 구슬 모양의 고분자 템플릿에 이산화 타이타늄과 산화주석을 차례로 코팅한 후 열환원 과정을 통해 만들었다. 

다공성 그래핀은 충전시 주석이 자유롭게 팽창할 수 있는 빈 공간과 높은 전기전도도를 제공하고 이산화 타이타늄은 그래핀과 함께 양옆에서 주석의 부피 팽창을 잡아준다. 또한 개발된 전극은 기존 전극에 사용되던 집전체, 도전제, 바인더가 필요 없는 일체형 전극이어서 배터리 에너지 밀도를 높일 수 있다.

연구팀 관계자는 “다공성 그래핀·주석·이산화 타이타늄 일체형 전극은 에너지 밀도와 안정성을 높이는 이상적인 전극이다”며 “전극의 디자인은 리튬이온배터리를 넘어서 다른 이차전지의 고용량 전극 및 유연 이차전지 구조에도 활용될 수 있을 것이다”고 말했다.

한편 이번 연구의 결과는 국제학술지 ‘스몰’(Small)에 게재됐다.