[인더스트리뉴스 이건오 기자] 한국에너지기술연구원이 영하 20도 혹한에서도 안정적으로 작동하는 이차전지용 금속-유기 하이브리드 전극 소재를 개발했다고 13일 밝혔다. 상온에서만 안정적으로 작동하는 기존 이차전지의 단점을 극복해 전기차, 드론, 초소형 전자기기 등 다양한 분야에서 활용될 전망이다.

에너지연 연구원이 개발된 음극을 실험하고 있다. [사진=에너지연]

현재 리튬 이차전지의 음극을 구성할 때 가장 많이 쓰이는 소재는 흑연이다. 열역학적으로 매우 안정적인 구조를 갖추고 있으면서 가격도 매우 저렴하기 때문이다. 하지만 흑연 음극으로 구성된 이차전지는 영하의 온도에서 저장 용량이 급격히 떨어지며, 충전 과정에서 음극 표면에 덴드라이트를 형성해 열폭주와 폭발을 일으킨다는 단점이 있다.

에너지연 유정준, 김현욱, 임강훈 박사 연구진은 티안트렌 기반의 유기 리간드와 니켈 금속이온을 조합해 전도성 금속-유기 구조체 ‘SKIER-5’를 개발했다. 이를 적용한 이차전지 음극재는 영하의 환경에서 흑연보다 5배 높은 방전 용량을 나타냈다.

SKIER-5를 적용한 음극의 방전 용량은 상온의 환경에서 흑연 전극(375mAh/g)보다 높았으며(440mAh/g) 1,600번의 충·방전 후에는 1.5배 가량 증가(600mAh/g)했다. 일반적으로 충·방전을 반복할수록 방전 용량이 줄어드는 것과 비교하면 매우 이례적인 결과다.

계산과학을 통한 SKIER-5의 성능검증 [사진=에너지연]

연구진은 포항가속기연구소의 X-선 구조 분석을 통해 이온의 산화 환원 반응이 용량 증가를 일으킨다는 것을 확인했다. 탄소로 구성된 흑연과 달리 니켈 이온과 질소, 인 등 헤테로 원소를 포함한 유기 구조체는 리튬 이온과 상호작용해 전자가 이동하는 산화 환원 반응이 일어난다. 이 과정을 거치며 더 많은 전자를 품게 됨에 따라 방전 용량이 증가하는 원리다.

특히, SKIER-5는 영하 20도의 환경에서도 흑연에 비해 5배 높은 방전 용량(150mAh/g)을 나타냈다. 흑연보다 화학 반응을 일으키는 데 필요한 에너지의 최소치가 낮아 전반적인 반응이 위축되는 저온 환경에서도 안정적인 성능을 나타낼 수 있게 된 것이다.

연구진에 따르면, SKIER-5의 동작 원리는 양자 화학을 이용해 예측값을 도출하는 ‘제일원리 계산’으로 검증했다. 전지의 충·방전 반응 매커니즘을 알기 위해서는 리튬 이온이 삽입되는 위치에 따른 전자 구조의 변화를 알아야 한다.

하지만 실험적인 방법으로 변화를 관측할 수 없어 계산 과학이 활용된다. 연구진은 계산을 통해 X-선 구조 분석과 일치하는 SKIER-5의 격자 구조를 찾고 리튬의 흡착 위치를 예측해 최대 용량과 전압을 계산했다. 그 결과, 예측값이 실험에서 도출된 결과와 들어맞는 것을 확인하고 SKIER-5가 전극 소재로 적합하다는 것을 입증했다.

티안트렌과 니켈 이온의 산화반응으로 개발된 SKIER-5(왼쪽부터 티안트렌, 니켈, SKIER-5) [사진=에너지연]

연구를 주도한 에너지연 유정준·김현욱·임강훈 박사는 “SKIER-5는 전지 산업에 핵심적인 역할을 할 수 있는 원천 소재로, 기존 음극재로 사용되는 흑연보다 저온 환경에서 안정적 구동이 가능해 특수 목적의 전지 분야에 응용될 수 있다”며, “특히 혹한기 상황에서도 안정적인 군사 임무 수행이 가능해 온도 변화가 급격한 환경에서 자동차, ESS, 정보통신기기 등에 널리 사용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업과 한국에너지기술연구원 기본사업, 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업의 지원을 받았으며 재료과학 분야의 세계적인 학술지 ‘저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이’(Journal of Materials Chemistry A, IF 10.7)의 표지 논문으로 선정됐다.

[이건오 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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