국내 연구진이 전기차나 스마트폰 배터리를 반복 고속 충전해도 수명 저하 우려를 덜어낼 수 있는 배터리 음극 소재를 개발했다고 24일 밝혔다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 강석주 교수, 곽상규 고려대학교 교수, 안석훈 한국과학기술연구원 박사 공동 연구팀은 흑연과 유기 소재를 혼합해 고속 충전을 반복해도 성능을 유지하는 하이브리드 음극 소재 개발에 성공했다.

배터리 충전 과정에서 리튬이온이 전자와 결합해 음극 소재 내부에 리튬 원자로 저장된다. 고속 충전 시에는 리튬이온이 음극 내부로 완전히 침투하지 못하고 표면에 금속 리튬 형태로 누적되는 '데드 리튬' 현상이 더 많이 발생하는데, 이는 재활용되지 못해 용량을 감소시키고 배터리 수명을 단축시키는 문제를 부른다.

연구팀이 개발한 하이브리드 음극은 이런 문제점 해결을 위해 특별히 설계됐다. 상용 음극 소재인 흑연 입자가 곡면 나노그래핀 적층 안에 균등하게 분포된 구조로 이뤄져 있다. 활처럼 비틀린 형태의 곡면 나노그래핀은 적층 시 층간 간격이 넓고 나노 크기 공간이 풍부해 리튬이온의 이동 속도를 크게 향상시킨다.

2개 소재가 1:1 비율로 균등하게 혼합되면, 리튬이온은 곡면 나노그래핀 층에 먼저 삽입된 후 흑연으로 이동하는 '순차 삽입' 과정을 거치게 된다. 이런 메커니즘 덕분에 고속 충전 조건에서도 데드 리튬 생성이 억제돼 빠른 충전과 긴 수명을 동시에 확보할 수 있었다. 이는 이론 시뮬레이션과 계산을 통해서도 검증됐다.

소재 단위 성능 실험 결과, 하이브리드 음극은 고속 충전 조건에서 기존 흑연 대비 4배 이상 높은 용량을 기록했다. 순차 삽입 경로를 통해 더 많은 리튬을 음극 내부에 저장할 수 있기 때문이다.

전기차용 단결정 NCM811 양극과의 결합 성능 검증에서는 1000회 이상 충·방전을 반복해도 초기 용량 70%를 유지하는 결과를 보였다. 실제 파우치셀 제작 시에도 2100회 이상 안정적으로 작동했으며, 충·방전 효율은 99%에 달했다.

공동 연구팀은 "단순한 공정으로 기존 배터리 음극 제조 인프라와 호환되고, 곡면 나노 그래핀의 화학 구조 확장성을 활용하면 리튬전지뿐만 아니라 나트륨 전지 음극 개발로도 이어질 것"이라고 설명했다.

이어 "이번 연구에서 밝혀진 순차 삽입 과정은 빠른 충전과 장기 안정성을 동시에 확보할 수 있는 차세대 음극 설계 전략으로도 활용될 수 있을 것"이라고 덧붙였다.

연구 결과는 재료 분야 세계적 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈'에 9월 11일 온라인 공개됐다. 연구 수행은 한국연구재단, 울산과학기술원, 과학기술사업화진흥원의 지원을 받아 이뤄졌다.