‘리튬’ 대체할 보급형 배터리 음극재 개발

국내 연구진이 차세대 보급형 배터리용 음극재를 개발하는 데 성공했다. 스마트폰부터 전기차까지 널리 활용되고 있는 리튬 이온 배터리의 핵심인 ‘리튬’의 가격 변동성과 수급 불안정성을 극복할 수 있는 계기가 될 전망이다.

아주대학교는27일 황종국 아주대 교수(화학공학과)와 임은호 동국대 교수(화공생물공학과) 공동 연구팀이 메조다공 배향을 정밀하게 조절해 높은 출력과 긴 수명을 갖는 하드카본 음극재 개발에 성공했다고 밝혔다.

대표적 이차전지인 리튬 이온 배터리(Lithium-ion Battery)는 스마트폰, 노트북 같은 소형 전자기기부터 전기차와 대규모 에너지 저장 장치까지 다양한 분야에서 필수적인 에너지 저장 장치로 자리 잡고 있다. 그런데 핵심 소재인 리튬(Lithium)의 수요가 급증하면서, 리튬의 가격 변동성과 수급 불안정성 또한 심화되고 있다. 게다가 리튬의 매장지가 호주, 중국, 남미 등 특정 지역에 집중되어 있어 ‘하얀 석유’로 불리며 전략적 안보 자산으로 부각되고 있어 가치가 크게 상승 중이다.

이에 산업계와 학계에서는 리튬을 대체할 다른 배터리에 대한 연구를 활발히 진행하고 있으며, 나트륨 이온 배터리(Na-Ion battery)나 칼륨 이온 배터리(Potassium-ion battery) 등이 대체재로 떠오르고 있다. 특히 칼륨은 지구상에 풍부하게 존재하며, 리튬과 유사한 전기화학적 특성을 가지고 있다. 또한 가격이 저렴하고 채굴이 비교적 용이해 원료 수급이 안정적이다. 이러한 장점 덕분에 칼륨 이온 배터리는 지속 가능한 배터리 기술의 유망한 대안으로 평가받고 있다.

그러나 칼륨 이온(K⁺)의 크기(1.38 Å)는 리튬 이온(Li⁺, 0.76 Å)보다 약 1.8배 크기 때문에 칼륨 이온의 삽입(Insertion)과 탈리(Extraction) 과정은 리튬 이온에 비해 약 6배 더 큰 부피 변화를 초래한다. 그 결과, 기존 리튬 이온 배터리에서 음극재로 사용되는 흑연을 똑같이 활용하는 경우 배터리의 수명과 안정성이 크게 저하되는 문제가 발생한다.

이에 흑연보다 저렴하면서도 높은 구조적 안정성과 오랜 수명을 갖춘 고체 형태의 탄소 하드카본(Hard Carbon)이 칼륨 이온 배터리의 음극재로 주목받고 있다. 하지만 하드카본은 제한적인 출력 특성과 낮은 이온 저장 용량이라는 태생적 한계를 가진다는 점이 문제로 남아 있다.

이 때문에 학계와 산업계에서 하드카본의 성능 향상을 위해 다공구조를 도입하는 방법이 널리 활용돼 왔다. 다공구조를 도입함으로써 이온 확산 경로가 개선되고 반응속도가 증가하며, 이온 저장 활성점의 농도가 향상되는 특성이 있다.

그러나 하드카본 음극재의 성능과 다공성 구조 간의 관계는 아직 명확히 규명되지 않았으며, 특히 나노 단위의 미세한 기공인 메조다공 하드카본 메조다공 구조의 역할에 대한 통일된 이론은 부족한 상황이다. 기존 연구에서는 다공 구조뿐만 아니라 배터리 성능에 영향을 미치는 다양한 요인이 동시에 변화, 메조다공 구조가 음극재의 성능에 미치는 정확한 영향을 규명하는 데 어려움이 있었다.

이에 아주대 공동 연구팀은 서로 다른 두 개 이상의 고분자를 물리적으로 혼합한 다성분계 고분자 블렌드의 자기조립(Self-assembly) 현상을 활용해 채널 타입 메조다공의 배향만이 선택적으로 조절된 2종의 모델 하드카본을 합성하고, 메조다공을 통한 칼륨 이온의 저장 및 이동 방식에 미치는 영향을 체계적으로 분석했다. 자기조립현상이란, 분자나 나노입자가 스스로 규칙적인 구조를 형성하는 과정을 말한다.

연구팀은 채널 타입 기공의 끝이 외부로 열린 개방형 메조다공성 하드카본과, 탄소벽 내부로 닫힌 폐쇄형 메조다공성 하드카본을 제조했다. 그리고 이 소재를 칼륨 이온 배터리의 음극재로 적용한 결과, 개방형 메조다공성 하드카본을 활용한 음극재가 폐쇄형 메조다공성 하드카본에 비해 약 30% 향상된 용량 및 출력 성능을 보임을 확인했다.

또한, 개방형 메조다공성 하드카본 음극재는 2만회의 충·방전 과정 이후에도 86%의 용량 유지율을 기록하며, 뛰어난 수명과 안정성을 입증했다. 연구팀은 메조다공 구조가 칼륨 이온 저장 활성점에 대한 접근성을 향상시켜 칼륨 이온 흡착 용량을 증가시키고, 칼륨 이온의 확산거리를 단축해 출력 특성을 개선함으로써 급속 충·방전 조건에서도 용량 감소 현상을 효과적으로 완화할 수 있음을 규명했다.

황종국 아주대 교수는 “이번 연구를 통해 그동안 미지의 영역으로 남겨져 있던 하드카본 음극재의 구조와 성능 간의 연관성을 독립적으로 분석할 수 있는 기틀을 마련했다”라며 “이번 성과는 칼륨 이온 배터리는 물론 나트륨 이온 배터리 같은 차세대 에너지 저장 소재 개발에도 폭넓게 응용될 수 있을 것”이라고 전했다.

이어 “차세대 배터리에 활용될 고성능의 하드카본을 개발하기 위해서는 다공 구조가 음극재 성능에 미치는 영향을 명확히 이해하고, 이를 바탕으로 최적의 설계 원칙을 정립하는 것이 필수적”이라며 “이번 연구가 산업계의 하드카본 성능 최적화와 차세대 보급형 에너지 저장 기술의 발전에 중요한 역할을 할 것”이라고 덧붙였다.

이번 연구는 한국연구재단의 우수신진연구사업과 한국전력공사의 지원을 받아 수행됐다.

연구 내용은 ‘나노 채널 배향을 통한 내부 접근성 조정으로 고속 칼륨 이온 저장이 가능한 메조다공성 탄소 구체(Tuning Internal Accessibility via Nanochannel Orientation of Mesoporous Carbon Spheres for High-Rate Potassium-Ion Storage in Hybrid Supercapacitors)’라는 제목으로 국제 저명 학술지 「어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)」 1월호 표지 논문(Front Cover)으로 게재됐다.

아주대 황종국·동국대 임은호 교수가 공동 교신저자로 참여했고, 박종윤 아주대 석박사 통합과정생(에너지시스템학과)이 제1저자로 함께 했다.

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