기초과학연구원(IBS)은 나노입자 연구단 연구팀이 힘이 세고 오래가는 배터리를 만들수 있는 신소재 개발에 성공했다고 10일 밝혔다.
연구팀이 개발한 신소재를 리튬이온전지의 전극으로 사용할 경우 기존 배터리의 한계를 극복하고, 용량이 30% 이상 향상된 차세대 고용량 배터리 개발을 견인할 것으로 보인다.
이산화티타늄 나노입자의 리튬저장 메커니즘
현재 대부분의 전자기기는 리튬이온전지를 배터리로 사용한다. 리튬이온전지의 용량을 높이기 위해서는 전극을 획기적으로 개선해야 한다.
과학자들은 기존 흑연(탄소) 전극을 대체할 새로운 음극 소재로 이산화티타늄(TiO2) 꼽고 있다. 격자 사이사이에 리튬을 저장할 수 있어 배터리 용량을 높이기에 최적화된 구조를 가지고 있기 때문이다.
이산화티타늄은 흑연에 비해 저렴하고, 안정적인 동시에 친환경적이라는 장점도 있다.
하지만 이산화티타늄을 음극으로 구현한 기존 리튬이온전지의 용량은 이론상 용량의 절반 수준에 그친다는 점이 상용화의 걸림돌이 됐다.
연구팀은 수 나노미터(nm, 1nm는 10억 분의 1m) 크기의 이산화티타늄 나노입자를 이용해 기존 배터리의 용량 한계를 극복할 음극 소재로 최적화된 구조를 발굴했다.
그 결과 수 nm 크기 이산화티타늄 입자가 집합체로 모여 속이 빈 구 형태(hollow nanostructure)의 2차 입자를 형성할 때 가장 안정적이면서 효율적으로 리튬을 저장한다는 사실을 규명했다.
구 형태의 나노 이산화티타늄 구조가 넓은 표면에서 일어나는 리튬과의 화학적 반응은 최소화하면서 리튬이 내부로 삽입되는 반응의 비중을 키우기 유리하기 때문이다.
화학적으로 안정적이면서 높은 용량을 내기에 최적화된 구조라는 의미다.
연구팀은 또 이 나노구조를 음극으로 적용한 리튬이온전지를 개발하고 포항방사광가속기에서 X선 분광실험을 진행하며, 미시적 구조와 배터리의 성능 사이 관계를 분석했다.
X선 분광실험은 복잡한 구조의 시료 내부에서 발생하는 현상을 실시간으로 분석할 수 있다.
개발된 배터리는 리튬이온 저장 성능을 30% 이상 향상시킬 수 있으며, 500회 이상 충·방전을 반복해도 고용량, 고출력 성능을 유지했다.
구 형태의 나노구조가 초과로 저장된 리튬을 효과적으로 안정화시키기 때문에 안정성을 오래도록 유지할 수 있는 것으로 나타났다.
연구팀은 개발된 배터리가 폭발 등 안전 문제에서 자유로운 소재를 제작할 수 있는 방안을 제시한 것이라고 설명했다.
성영은 부연구단장은 “개발한 구조는 이산화티타늄 뿐 아니라 모든 나노입자에 적용가능하다”며 “나노입자의 성능 한계와 안정성, 안전 문제를 모두 해결해 배터리 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 길을 연 것”이라고 말했다.
이번 연구 성과는 화학분야 최고 권위지 ‘미국화학회지(JACS)’ 온라인 판에 지난달 27일자(한국시간) 실렸다.