'백만 스물 하나. 백만 스물 둘'

휴대용 전자기기의 발전과 함께 한 번의 충전으로 오래도록 사용할 수 있는 '백만돌이' 같은 배터리 개발이 요구되고 있다. 더욱이 전기자동차 등의 수요 증가로 현재의 배터리 용량을 월등히 뛰어넘는 혁신적인 배터리가 필요해진 상황이다.

▲ IBS 나노입자 연구단 현택환 단장(왼쪽)과
성영은 부연구단장

기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단의 현택환 단장, 성영은 부연구단장 팀은 리튬이온전지의 용량을 기존 대비 30%이상 끌어올릴 수 있는 신개념 배터리 제조 기술을 개발했다.

리튬이온전지는 스마트폰, 노트북은 물론 전기자동차까지 고용량을 요구하는 대부분의 전자기기에 쓰인다. 배터리를 사용할 땐(방전) 음극에 포함된 리튬이온이 양극으로 이동하고, 양극 속으로 삽입되는 원리로 작동한다. 충전 시엔 정반대의 반응이 일어난다.

전극을 중심으로 산화‧환원 반응이 진행되기 때문에 전극 개선은 리튬이온전지의 용량을 높이기 위해 선행돼야할 과제다. 과학자들은 이산화티타늄(TiO₂)을 기존 흑연(탄소) 전극을 대체할 새로운 음극 소재로 지목하고 있다.

격자구조를 가진 이산화티타늄은 격자 사이사이에 리튬을 저장할 수 있어 배터리 용량을 높이기에 적합하기 때문이다. 하지만 이산화티타늄을 전극으로 구현한 기존 리튬이온전지의 용량은 이론적 예상 용량의 절반 수준에 그친다는 점이 상용화의 걸림돌이 됐다.

연구팀은 수 나노미터 크기의 이산화티타늄 나노입자를 이용해 기존 배터리의 용량 한계를 극복할 음극 소재를 발굴했다. 우선 나노 이산화티타늄 입자의 크기와 구조를 바꿔가며 다양한 구조를 합성하고, 최적의 구조를 찾는 실험에 도입했다.

▲ 연구진은 속이 빈 구 형태의 이산화티타늄 나노구조체를 전극으로 활용했을 때 가장 안정적이면서 효율적으로 리튬을 저장한다는 사실을 규명했다.

그 결과 수nm 크기 이산화티타늄 입자가 속이 빈 구 형태(hollow nanostructure)의 2차 입자를 형성할 때 가장 안정적이면서 효율적으로 리튬을 저장한다는 사실을 규명했다. 연구진은 이 구조가 넓은 표면에서 일어나는 리튬과의 화학적 반응은 최소화하면서, 리튬이 내부로 삽입되는 반응의 비중을 키우기 때문에 높은 용량을 내기 유리하다고 설명했다.

이어 연구팀은 이 나노구조를 음극으로 적용한 리튬이온전지를 개발하고, 전극의 미시적 구조와 배터리의 성능 사이 관계를 분석했다. 개발된 배터리는 리튬이온 저장성능을 30% 이상 향상시킬 수 있으며, 500회 이상 충‧방전을 반복해도 고용량, 고출력 성능을 유지하는 것으로 나타났다.

▲ 연구진이 개발한 나노구조체(위)는 나노입자가 두 차례에 걸친 상변화를 하는 과정에서 초과 리튬(Excess Li storage)을 저장할 수 있다.

성영은 부연구단장은 "나노입자의 성능한계와 안정성, 안전문제를 모두 해결할 수 있는 새로운 방향을 제시한 것으로 이번 연구에서 개발된 구조는 이산화티타늄 뿐 아니라 모든 나노입자에 적용가능하다"며 "나노입자를 활용해 배터리 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 길이 열린 것"이라고 말했다.

연구결과는 화학분야 최고 권위지인 '미국화학회지(JACS)' 11월 27일자 온라인판에 실렸다.

IBS 커뮤니케이션팀
권예슬