연구성과

화공 이진우 교수팀, ‘증발’ 이용해 6분 만에 충전하는 배터리 만든다

2018-01-15271

[계층형 다공성 금속 산화물로 고출력·고용량 전극 개발]

홍채나 얼굴인식, 음성인식을 통한 스마트 비서 서비스 등, 스마트폰의 기능은 갈수록 첨단화되어가고 있지만, 기능보다는 다소 속도가 늦은 분야가 있다. 바로, 스마트폰에 에너지를 공급하는 배터리다. 기능이 고도화될수록 많은 에너지를 소비하는 만큼, 용량이 크면서도 빠르게 충전할 수 있는 배터리에 대한 수요는 점차 증가하고 있으며, 리튬이온 전지의 경우 스마트폰은 물론 노트북이나 전기차에 사용되고 있는 만큼 개발은 경쟁적으로 활발하게 진행되고 있다.

화학공학과 이진우 교수·조창신 박사후연구원 팀은 합성방법의 어려움으로 활용되어 오지 못한 계층형 다공성 구조의 무기소재를 간단하게 합성하고, 이를 이용해 리튬이온 2차전지에 활용할 수 있는 전극소재를 개발하는 데 성공했다.

소재분야 세계적 권위지 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’지를 통해 발표된 이번 성과는 리튬이온 2차전지에 적용할 때 단 6분 만에 최대의 75%를 충전시킬 수 있는 성능을 보였다.

물질 속 기공은 그 크기에 따라 마이크로 기공(<2nm), 메조 기공(2~50nm), 매크로 기공(>50nm)으로 나뉘는데, 계층형 다공구조란 이런 다른 크기의 기공을 두 개 이상 포함하는 구조를 의미한다. 표면적이 넓고 물질을 전달하는 성능도 뛰어나 특히 2차전지 분야에 활용될 수 있을 것으로 기대를 모았다. 하지만, 소재의 기공을 동시에 조절하려면 복잡한 방법을 거쳐야 하고, 그에 따라 오랜 시간이 소요돼 대량으로 생산하기 어렵다는 단점이 있었다.

연구팀은 용매가 증발하는 조건을 조절함으로써, 블록공중합체와 상분리가 동시에 일어나도록 함으로써, 아주 간단하게 이 물질을 합성해내는 데 성공했다. 이 기술은 이번에 이용된 티타늄 니오비윰 산화물 뿐만 아니라 텅스텐이나 티타늄계 산화물 등 다양한 무기 소재에 적용할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

연구팀이 합성해낸 이 소재는 전극 내 전해액 침투성을 높여 리튬이온이 더 쉽게 전달되도록 했으며, 산화·환원 반응을 위한 표면적이 넓어져 충전 속도를 획기적으로 높였다.

연구를 주도한 이진우 교수는 “계층형 다공성 무기소재는 에너지 전극소재로 많은 장점이 있었지만 복잡한 합성법으로 빛을 발하지 못한 소재였다”며 “앞으로 추가연구를 통해 리튬이온 2차전지뿐만 아니라 다양한 에너지 전극 소재 성능을 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업과 기초연구실 사업을 통해 수행됐다.