[대전=뉴스프리존] 이기종 기자= 한국에너지기술연구원(KIER)은 고온에너지전환연구실 김현욱 박사 연구진이 리튬 배터리의 용량과 안정성을 향상시키는 전극소재 기술을 개발했다고 29일 밝혔다.
국내외적으로 전기자동차, 초소형 전자기기, UAM(도심항공모빌리티) 등 산업 분야의 성장과 함께 리튬이온 배터리와 하이브리드 슈퍼커패시티 전극소재 개발이 활발하다.
하지만 전극소재로 주로 활용되고 있는 흑연은 높은 용량을 갖지만 충방전시 안정성과 낮은 출력 문제가 있어 이 흑연의 대안으로 리튬티타네이트산화물(LTO) 전극이 주목을 받고 있으며 상대적으로 에너지밀도는 낮으나 고속충전과 높은 출력이 가능하고 발화 위험이 없는 가장 안전한 전극소재이다.
특히 LTO 전극은 1-3V의 작동전압 범위를 가지며 반복적 충방전시에도 구조적으로 변화가 없어 높은 안정성을 가져 고율속 배터리 소재로 활용되고 있지만 해당 작동전압에서는 175 mAh/g의 낮은 방전용량과 1.5 V의 높은 전압 평탄부(Voltage Plateau)를 가지고 있어 배터리의 에너지 밀도 향상에는 제한이 있다.
이번 한국에너지기술연구원 김현욱 박사팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 LTO 전극 내 산소 결함을 가지고 있는 신규 LTO 전극 재료를 개발했다.
연구과정을 보면 LTO 전극 재료의 구조 및 물성을 BET, XRD, XPS, SEM, TEM 분석을 통해 규명하고 다공성 LTO가 산소결함이 있는 LTO로 변화되는 상변이를 새롭게 확인했다.
특히 산소 결함을 가진 리튬티타네이트산화물(LTO, lithium titanate oxide, Li4Ti5O12)은 전극을 개발해 넓은 작동전압 범위와 함께 상용 LTO 배터리 대비 1.5배 높은 243m Ah/g의 용량을 가지며 반복적인 충방전에도 용량감소가 거의 일어나지 않는 우수한 특성을 보였다.
이 연구결과에 의하면 넓은 영역에서 고용량·고안정성을 가지는 리튬배터리의 전극소재 핵심 원천 기술을 확보했으며 최대 이론 용량에 근접한 LTO 전극 재료는 기존 배터리 음극재로 사용되는 흑연이 할 수 없는 저온 환경에서도 구동이 가능해 다양한 분야에 응용이 가능할 것으로 전망했다.
교신저자인 김현욱 에너지기술연구원 박사는 “이번에 개발한 신규 LTO 전극 재료는 배터리 산업에 핵심적인 역할을 할 수 있는 원천소재로 최대 이론용량에 근접한 산소 결함이 있는 신규 LTO 전극 재료는 기존 배터리 음극재로 사용되는 흑연처럼 낮은 전압 범위에서 구현할 수 있으며 저온 환경에서도 안정적 구동이 가능해 특수 목적의 다양한 배터리 분야에 응용이 될 수 있다”면서 “온도 변화가 급격한 외부 환경에 장기간 노출되는 자동차, ESS, 자율독립전원, 정보통신기기 등에 사용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
이 연구결과는 재료과학기술 분야의 세계적인 학술지인 ‘응용 표면 과학(Applied Surface Science)’에 게재됐다.
게재된 논문명은 “Defective lithium titanate oxide with stable cycling over a wide voltage window”이다.