리튬2차전지 용량 늘리고 안전성 500배 향상

선양국 교수팀, 이중구조 양극 소재 개발

(서울=연합뉴스) 이주연 기자 = 국내 연구진이 리튬2차전지(충전지)의 성능을 좌우하는 양(+)극 소재를 내·외부층을 가진 이중구조(Double Structure)로 만들어 안전성과 용량을 크게 개선했다.

교육과학기술부는 한양대 선양국 교수가 주도하고 오승민 박사과정 학생이 참여한 연구팀이 겉은 리튬인산철(LiFePO4), 속은 인산망간리튬(LiMnPO4)로 된 이중구조의 독창적 2차전지 양극 소재를 개발했다고 7일 밝혔다.

리튬2차전지는 외부전원으로 충전해 쓸 수 있어 반영구적이다. 휴대전화·노트북컴퓨터와 같은 소형전지에 널리 쓰이는데, 최근엔 하이브리드 전기자동차·에너지 저장장치 등에 중대형전지로 용도가 확대되고 있다.

전지는 양극·음극·전해질로 구성된다. 그 중 양극의 소재에 따라 성능이 결정된다. 양극 소재는 저렴하면서도 폭발 우려가 없고, 에너지밀도가 높아 용량이 크며, 수명이 길어 오래 쓸 수 있어야 한다.

연구진은 양극 소재로 가격이 저렴하면서도 열적 안정성이 뛰어난 철이나 망간에 주목했다.

특히 철은 폭발 위험 없이 매우 안전하고, 망간을 소재로 하면 철보다 오래 쓸 수 있다는 장점이 있다.

두 소재의 이런 장점을 살리기 위해 연구진은 양극을 공 모양으로 만들고 그 안을 인산망간리튬으로 채운 뒤 표면에 리튬인산철 소재를 입혔다.

연구진은 또 이 이중구조의 양극 소재가 빨리 충전돼 높은 성능을 낼 수 있도록 양극 내부에 나노미터(㎚·10억분의 1ｍ)급 크기의 작은 구멍(pore)을 만들고 그 사이로 전해질이 들어가도록 했다.

그 결과 이 양극을 사용한 2차전지의 에너지 밀도가 현재 상용화된 소재보다 1.2배 높고, 열적 안전성(폭발 안전성)은 500배 높은 것으로 확인됐다.

선양국 교수는 "전지의 충전 속도는 리튬이온(양이온)의 이동 속도에 비례하는데, 구멍을 통해 리튬이온이 전해질을 빨리 만나 빠지도록 한 것"이라고 설명했다.

이번 연구성과는 화학분야 권위지 '앙게반테 케미 국제판(Angewandte Chemie International Edition)' 지난달 17일자에 실렸다.