연구본부소개
리튬 배터리의 수명 향상 해법 찾았다. 첨가재가 필요 없는 음극(-) 신소재 개발
- 등록일 : 19-07-09
- 기능성복합소재연구센터 안석훈 박사팀
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- 기존 리튬 배터리 음극(-) 소재의 한계였던 낮은 전기 전도도가 혁신적으로 향상
- 전도체 혼합 불필요, 안정성 높은 음극(-) 신소재로 개발로 배터리 수명 향상
한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 기능성복합소재연구센터 안석훈 박사팀과 울산과학기술원 에너지 및 화학공학부 강석주 교수 및 곽상규 교수팀은 공동 연구를 통해 전기 전도도가 좋은 유기물 반도체들을 합성하여 리튬전지의 음극(-)으로 사용될 수 있는 물질을 개발했다고 밝혔다.
최근 차세대 에너지 저장 장치의 수요가 급증함에 따라 고성능ㆍ고효율 이차전지 개발이 가속화되고 있다. 리튬 이온 이차전지는 양극(+)과 음극(-)의 층 구조를 갖고, 이 층 사이를 리튬 이온이 이동하며 에너지를 저장하는 기능을 한다. 일반적으로 음극(-)에는 흑연(그래파이트)을 사용하는데, 흑연은 좁은 간격과 더불어 이온 확산거리가 길어 전지의 성능을 저하시키고 수명을 단축시킨다.
이를 해결하기 위해 최근 금속산화물 또는 유기물 기반 음극 물질들이 흑연의 대체재로써 연구되고 있다. 하지만, 이들 소재는 낮은 전기전도도, 짧은 수명 등의 치명적인 단점을 가지고 있고, 이를 보완하기 위해 첨가재로 들어가는 전도성이 높은 카본물질에 의해 전극의 성능이 떨어지는 문제점들이 있어 새로운 대체재의 개발이 필요한 실정이다.
KIST 연구진은 유기물 반도체인 공 모양의 ’플러렌(fullerene)’분자와 이를 잘 잡을 수 있는 글러브 모양을 가지는 ’헥사벤조코로넨(hexabenzocoronene)’이라는 물질을 공결정체(cocrystal)*로 형성시킴으로써 기존 유기물 음극(-) 소재의 단점이었던 낮은 전기전도도를 크게 높일 수 있었다. 이 소재는 전기전도도가 높기 때문에 별도로 전도체를 혼합할 필요가 없어 제조 단가를 크게 낮출 수 있을 뿐만 아니라 기존 유기물기반 음극 전지의 수명을 크게 향상 시킬 수 있다는 장점을 가지고 있다.
*공결정체(cocrystal) : 두 개 이상의 성분이 특정한 비율로 하나의 새로운 결정을 형성하는 것
KIST 안석훈 박사는 “개발된 공결정성 물질은 기존 유기물 전극의 문제점인 낮은 전도성을 해결할 수 있는 새로운 방법을 제시할 뿐만 아니라 차세대 이차전지인 소듐전지에도 활용될 수 있어 후속 연구개발에 매우 중요한 연구결과이다”라고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 중견연구자사업, 나노소재기술개발사업, UNIST 기관고유 사업으로 수행되었다. 연구 결과는 재료분야 권위의 학술지 중 하나인 Advanced Functional Materials (IF: 15.621, JCR: 3.04%) 최신호에 게재되었다.
*(논문명) Organic Semiconductor Cocrystal for Highly Conductive Lithium Host Electrode
- (공동1저자) 한국과학기술연구원 김윤정 연구원 울산과학기술원 박재현 박사과정, 주세훈 박사과정
- (교신저자) 한국과학기술연구원 안석훈 박사 울산과학기술원 강석주 교수, 곽상규 교수
<그림설명>
[그림 1]
cHBC/플러렌 공결정체 형성 음극 제조 과정 모식도 및 전자 이동 메커니즘 제안도
cHBC/플러렌 공결정체 형성 음극 제조 과정 모식도 및 전자 이동 메커니즘 제안도
[그림 2] (상, A-C) cHBC/플러렌 공결정체 구조의 다양항 방향 투영도.
(하, D-E) cHBC/플러렌 공결정체 구조의 전면도, 평면도 및 측면도.
[그림 3]
cHBC/플러렌 음극의 리튬 이차전지 특성 그래프
(좌상) cHBC/플러렌 음극의 리튬 이차 전지 구동 전압 프로파일
(우상) 전지 충ㆍ방전 성능 평가 그래프. 3 A/g의 고전류 충ㆍ방전에서 약 70 mAh/g 용량 유지 확인 가능.
(좌중, 우중) cHBC/플러렌 음극의 리튬 이온 저장 위치 및 이온 저장 위치에 따른 전압 변화 컴퓨터 시뮬레이션 결과
cHBC/플러렌 음극의 리튬 이차전지 특성 그래프
(좌상) cHBC/플러렌 음극의 리튬 이차 전지 구동 전압 프로파일
(우상) 전지 충ㆍ방전 성능 평가 그래프. 3 A/g의 고전류 충ㆍ방전에서 약 70 mAh/g 용량 유지 확인 가능.
(좌중, 우중) cHBC/플러렌 음극의 리튬 이온 저장 위치 및 이온 저장 위치에 따른 전압 변화 컴퓨터 시뮬레이션 결과
(하) 리튬 이차전지 장수명 평가 그래프. 약 600회 구동함을 확인 가능.