‘12분 만에 80% 충전 가능’ 배터리용 음극 소재 개발

경북대학교 전상은 교수팀
기존 TiO2 음극재 한계 지적된
낮은 이온전도도·작은 용량 해결
“상용화 시 전기차 충전에 혁신”

경북대 금속재료공학과 전상은＜사진＞ 교수팀이 12분 안에 배터리 충전의 80％를 달성할 수 있는 리튬이온 배터리용 음극 소재 기술을 개발해 주목을 받고 있다.

연구 결과는 JCR 상위 0.3% (Impact factor 12.7)의 학술지인 ‘컴포지트 파트 B: 엔지니어링(Composites Part B: Engineering)’ 8월 10일자에 발표됐다.

현재 상용화된 흑연 음극재는 고속 충전 시 리튬 플레이팅과 덴드라이트 형성으로 인한 폭발이나 화재 가능성이 있고, 고속 충·방전에 따른 전극의 변형 덕분에 수명이 급격히 짧아지는 단점이 있다.

이 때문에 고속 충전 환경에서도 안정성을 보장하고, 긴 수명을 가지는 대체 음극재 개발이 절실한 상황이다.

전 교수팀은 매우 안정한 화합물인 이산화티타늄(TiO2)으로 새로운 해결책을 제시했다.

기존 TiO2 음극재는 이온 전도도가 낮고, 용량이 작은 문제가 있다.

이를 해결하고자 속이 빈 구형 구조의 TiO2 음극재를 설계하고, 나노 크기의 TiO2입자와 구형 탄소 입자의 혼합비를 조절하는 간단한 합성 기술을 개발해 속이 빈 TiO2의 두께를 제어했다.

이를 통해 연구팀은 속이 빈 TiO2 구조의 두께를 얇게 조절해 리튬 이온의 느린 확산 문제를 획기적으로 개선하면서 초고속 충전 가능성을 입증했다.

특히, 배터리 충·방전 실험에서 12분 내 용량의 80％를 충전할 수 있는 성능을 확인하고, 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 리튬이온이 속이 빈 구조 내에서 효율적으로 이동한다는 사실을 증명했다.

전상은 교수는 “이번에 개발된 속이 빈 구형 TiO2 음극재는 리튬이온의 이동을 효율적으로 개선한 안전하면서도 초고속 충전이 가능한 소재가 될 것이다. 이 기술이 상용화된다면, 전기차 충전을 위해 수십 분의 시간을 기다릴 필요가 없어질 것으로 기대된다”고 밝혔다.

/심상선기자 [e-mail]