(왼쪽부터)성재경 교수, 김주은 석사 연구생.(사진=경상국립대 제공)

전기자동차(EV)에 대한 수요 증가와 함께 더 긴 주행거리를 위한 고에너지 밀도의 리튬 이온 배터리 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 배경 속에서 경상국립대학교 공과대학 나노·신소재공학부 성재경 교수 연구팀이 흑연 전극의 성능을 혁신적으로 향상시키는 기술을 개발했다.

현재 상용화된 흑연 음극재의 전극 밀도는 ~1.5g/cc이며 부피당 에너지 밀도는 <500Wh/L>이다. 그러나 전극 밀도가 ~1.5g/cc를 넘으면 기공이 줄어들어 전해질 침투가 방해받고 이는 셀 설계 시 N/P 비율의 불균형을 초래하는 문제를 일으킬 수 있다. N/P 비율은 음극 용량(mAh)과 양극 용량(mAh)의 비율로, 1 이하로 떨어지면 음극의 용량이 부족해 리튬이 석출되며 사이클 수명이 단축되는 문제를 야기할 수 있다.

성재경 교수 연구팀은 흑연 음극재를 포함한 전극의 밀도를 1.9g/cc까지 증가시켜 흑연의 이론 용량(372mAh/g)보다 높은 이론 용량을 가지는 합금형 음극과 유사한 에너지 밀도를 달성할 수 있음을 확인했다.

이는 흑연 음극재의 전극 밀도를 조정하는 간단한 방법으로 충·방전 시 불안정한 고용량 음극재(실리콘 및 리튬 금속 음극재)를 사용하지 않고도 높은 부피당 에너지 밀도를 실현할 수 있는 가능성을 제시하며 에너지 저장 성능을 크게 향상시킬 새로운 전략을 보여준다.

이번 연구의 핵심은 흑연의 표면에 기능성 고분자를 코팅해 전해질의 침투를 촉진하는 기술이다. 이 연구에서 사용한 고분자는 높은 전해질 흡수 능력을 가지고 있으며 니트릴 그룹이 리튬 이온과 결합해 리튬 염의 효과적인 용해를 유도하고 수산화기(OH) 그룹이 흑연 표면의 전해질 습윤성을 향상시킨다. 또한 흑연 입자들 간의 뭉침을 방지해 높은 압력에서도 이온 전도성을 유지하며 고밀도 전극을 설계할 수 있게 한다.

제1저자인 김주은 연구원은 “에너지 밀도를 위해 흑연 극판에 과한 압력이 가해졌을 때 입자 사이의 전해질 침투 문제를 발견했고 흡수성 향상을 위한 다양한 방법을 생각하다 니트릴 그룹과 수산화기 그룹을 포함한 고분자를 떠올렸다”고 말했다.

연구 결과는 국제 저명 학술지인 《머티리얼스 케미스트리A(Journal of Materials Chemistry A)》 (IF: 10.7)에 7월 30일 자로 발표됐다. (논문명: Achieving High Volumetric Energy Density in Graphite Anode through Polymer Coating with Improved Electrolyte Impregnation)