윤영수 고려대 융합에너지공학과 교수 연구팀, 리튬이온전지용 흑연계 음극소재 이론용량 뛰어넘는 고성능 하드카본 소재 구현
윤영수 고려대 융합에너지공학과 교수 연구팀, 리튬이온전지용 흑연계 음극소재 이론용량 뛰어넘는 고성능 하드카본 소재 구현
  • 복현명
  • 승인 2023.03.14 10:10
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윤영수 고려대학교 KU-KIST융합대학원·융합에너지공학과 교수. 사진=고려대.
윤영수 고려대학교 KU-KIST융합대학원·융합에너지공학과 교수. 사진=고려대.

[스마트경제=복현명 기자] 윤영수 고려대학교 KU-KIST융합대학원·융합에너지공학과 교수 연구팀이 현재 사용되고 있는 리튬이온전지용 흑연계 음극 소재의 이론용량보다 50% 이상 높은 실험용량을 실제로 구현할 수 있는 리튬이온전지용 하드카본 음극소재를 개발했다.

흑연 음극소재의 단순한 리튬 이온 저장 특성과는 달리 하드카본 음극 소재의 이온 저장 거동은 매우 복잡한 것으로 알려져 있다. 

하드카본의 전기화학적 특성을 알려주는 용량-전압 곡선은 상대적으로 높은 전압에서 나타나는 슬로핑영역과 금속 환원 전위 근처의 낮은 전압 범위에서 나타나는 평탄전위 영역으로 구성돼 있다.

슬로핑 영역, 평탄전위가 나타나는 하드카본의 이온 저장 사이트와 메커니즘에 대한 이해도가 매우 낮고 상업화돼 사용되고 있는 하드카본 소재의 전기화학적 용량-전압 곡선에서 흑연계 음극 소재보다 낮은 용량이 발현돼 흑연과의 경쟁에서 밀린 소재 정도로 학계와 산업계에서 인식되고 있었다.

이번 연구에서는 흑연계 음극소재가 탑재된 리튬이온전지가 상업화에 성공한 지난 90년 말부터 연구가 거의 진행되고 있지 않은 하드카본 음극소재의 리튬 이온 저장 특성을 깊이 있게 관찰해 하드카본 소재의 저전압 평탄전위 구간의 이론용량이 현재 사용되고 있는 흑연계 음극 소재 이론용량(약 372 mA h g-1)의 2배를 넘어서며 실제로 약 1.5배에 해당하는 용량이 본 연구진에 의해서 구현됐다.

이와 더불어 리튬이온전지를 대체할 차세대 이차전지로 주목받고 있는 나트륨이온전지용 음극소재로 하드카본을 사용할 경우에도 현재의 그래파이트 음극 소재의 이론용량을 넘어서는 용량이 실제로 구현되는 것을 확인했다.

이번 연구를 통해 현재 사용되고 있는 리튬/실리콘 복합 음극보다 높은 용량을 구현할 수 있는 하드카본 음극소재가 리튬이온전지와 차세대 나트륨 이온전지의 음극소재로 활용될 수 있는 길이 열릴 수 있을 것으로 기대된다.

한편 한국연구재단(표준탄소모델 설계 기초연구실 사업, 중견연구사업)과 KU-KIST 사업의 지원을 받아 수행한 이번 연구는 재료분야 최상위 학술지인 어드밴스드 머터리얼즈 (Advanced Materials)에 2023년 1월 10일자로 온라인 게재됐다.

 

복현명 기자 hmbok@dailysmart.co.kr


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