고용량 이차전지 전극 소재 새로운 합성기술 개발

[산업일보]
국내 연구진이 리튬 이온 전지 등 차세대 전기에너지 저장장치의 성능을 기존 대비 1.4배 향상시켜 경제성을 높인 새로운 전극 소재 합성법을 개발했다.

이화여대 황성주 교수 연구팀은 간단한 방법을 통해서 기존 전극소재의 전도성을 획기적으로 높이는 연구를 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 기초연구지원사업(중견연구자지원)을 통해 수행했으며, 연구 결과는 재료과학 분야의 우수 학술지인 어드밴스드 펑셔널 메테리얼즈(Advanced Functional Materials)에 표지 논문으로 게재됐다.

연구팀은 리튬 티탄산화물 내부에 리튬 티탄황화물이 복합화된 나노복합체를 처음으로 합성하고, 리튬 이온 전지의 전극 소재에 적용 시 이 나노복합체가 빠른 충전조건에서도 기존 리튬 티탄산화물 대비 1.4배 증대된 용량을 나타내며, 이황화탄소를 시약으로 사용하는 단일 단계 복합체 형성 반응이 금속산화물의 전극성능을 개선하는데 보편적으로 적용될 수 있음을 처음으로 밝혔다.

전기전도성이 낮아 빠른 충전 조건(5C=12분 만에 완전 충전되는 조건)에서 낮은 용량을 나타내는 리튬 티탄산화물의 전기전도성을 높이기 위해, 리튬 티탄산화물을 소량의 이황화탄소를 함유하고 있는 기체 분위기(리튬 티탄산화물 1g당 0.6mL)하 450℃에서 2시간동안 가열해 리튬 티탄황화물을 내포하고 있는 리튬 티탄산화물 나노복합체를 합성했다.

리튬 티탄황화물-리튬 티탄산화물 나노복합체의 우수한 이차전지 전극 성능의 비결은 전기전도도가 우수한 리튬 티탄황화물이 리튬 티탄산화물에 균일하게 내포돼 있어 전기를 더 잘 전도하고, 리튬 티탄황화물이 리튬 티탄산화물에 가장 알맞은 양만큼 복합화되도록 해 전기가 더 잘 통하도록 도와주되 기존 리튬 티탄산화물 전극소재의 전기화학적 활성이 저해 받지 않도록 하는 것이다.

이번 연구에서 개발된 전극소재 합성법은 소량의 이황화탄소를 이용해 단일단계 반응으로 쉽게 고 전도성 나노복합체를 형성한다. 본 연구에서 개발된 금속황화물-금속산화물 나노복합체를 전극소재로 사용하면, 기존 금속산화물 전극소재보다 전극 성능이 1.4배 향상될 뿐만 아니라 최근 각광받는 전기전도성 첨가제인 그래핀을 첨가해 전극 성능을 개선하는 것보다 환경 친화적이고 생산비용감축의 효과가 있다.

또한 이번 연구에서 개발된 나노복합체 합성법은 고 전기전도성 금속 황화물을 리튬 티탄산화물뿐만 아니라 다양한 금속 산화물 또는 금속 수산화물에 복합화하기 위해 적용할 수 있는 보편적인 방법이다.

그러므로 이번에 개발된 합성법을 통해 리튬 이온전지, 나트륨 이온전지, 금속-황 전지, 금속-공기 전지, 연료전지, 축전지 등 금속 산화물이 이용되는 모든 전기 화학적 에너지 저장 장치의 전극 성능을 개선할 수 있다.