포스텍 연구팀, 배터리 수명 2배 늘릴 기술 찾았다

울산대 연구팀과 주석전극 상용화 앞당길 `합성법` 개발… 신재생에너지 활용도 가능

▲ 배터리 수명을 2배까지 늘릴 수 있는 기술을 개발한 포스텍-울산과학기술대학교 연구팀의 포스텍 화학공학과 이진우 교수.

스마트폰, 태블릿PC, 노트북 컴퓨터 등의 모바일 기기가 널리 보급되면서 가장 큰 문제점으로 지적돼 온 배터리. 충전시간은 줄이고 사용시간을 늘리는 배터리 개발에 많은 기업과 연구진들이 뛰어들어 경쟁을 펼치고 있는 가운데 충전시간은 줄이고 사용시간을 늘릴 수 있는 배터리 사용화 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

포스텍 화학공학과 이진우 교수(38)와 박사과정 황종국(25)씨, 울산과학기술대학교 친환경에너지공학부 이규태 교수팀이 독창적인 합성방법을 개발해 리튬이온 배터리의 음극에 사용되는 주석(Sn) 기반의 탄소-실리카 복합체를 `원-팟 (one-pot)` 방법으로 합성하는데 성공했다.

이 복합체를 이용하면 3~4시간 정도 충전해야 하는 리튬이온 배터리가 최대 1시간 이내에 충전이 가능해지며, 용량이 그래파이트에 비해 2배로 커져 사용시간도 2배로 늘어난다.

우리가 사용하고 있는 배터리는 그래파이트(graphite)라는 물질을 음극으로 사용하고 있지만, 이 물질은 상대적으로 낮은 용량(372 mA h g-1)이 단점으로, 이를 대체할만한 보다 오래 쓸 수 있는 새로운 음극 소재 개발을 놓고 활발한 연구가 진행돼 왔다.

그 중에서도 대체 물질로 제안된 것은 바로 주석이다.

이론적으로는 그래파이트에 비해 훨씬 높은 용량(992 mA h g-1)을 가지고 있어 연구자들의 주목을 받아왔다. 하지만 주석은 충전이나 방전과정에서 심각하게 부피가 팽창되거나 수축돼 전극 구조를 붕괴시키기 때문에 안정성이 낮고 수명이 짧을 뿐 아니라 합성과정이 복잡하고 시간 소요가 많아 상용화가 어려운 것으로 지적돼 왔다.

연구팀은 주석을 나노선, 나노입자의 형태로 탄소-실리카 구조체에 가두는 `원-팟 (one-pot)` 합성법을 개발·응용한 결과 전극 특성 저하를 방지하는 것은 물론 성능도 안정적으로 유지되는 것을 확인했다.

연구팀이 개발한 합성법은 복잡한 합성과정 없이 블락 공중 고분자의 자기조립성질을 이용해 2주 가까이 걸리던 합성시간도 3~4일로 대폭 줄여 상용화를 앞당겼다는 점에서 크게 눈길을 끌고 있다.

또 이 합성법은 단순히 배터리 뿐만 아니라 촉매 등 또 다른 신재생에너지로의 활용도 가능할 것으로 전망된다.

연구팀은 앞으로 이 합성법을 이용, 용량을 10배까지 늘릴 것으로 예측되고 있는 실리콘을 배터리에 응용하는 연구를 진행할 계획이다.

한편 이 연구성과는 미국화학회가 발행하는 나노분야 세계적 권위지 `ACS 나노(ACS Nano)`지를 통해 발표됐으며 교육과학기술부와 한국연구재단이 추진하고 있는 `글로벌프론티어 사업`, `중견연구자지원사업 (핵심연구)`과 한국화학연구원 `OASIS`사업의 지원을 받았다.

/윤경보기자 [e-mail]