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고속충전 가능, 고내구성 차세대 배터리 소재
구분
신기술 소개
작성일
2025-03-06
조회수
248
첨부파일

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고속충전 가능, 고내구성 차세대 배터리 소재
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기능성복합소재연구센터 안석훈 센터장​




 

 전 지구적으로 환경문제에 대한 위기의식이 고조되면서 각국 정부들은 각종 제도를 정비하고 친환경 탄소중립 정책을 펼치고 있다. 이러한 흐름에 발맞추어 전기자동차(EV)와 에너지 저장장치(ESS) 등에 대한 수요도 대폭 증가중인데 이에 따라 보다 더 높은 에너지 밀도와 안정성을 갖춘 리튬이온 배터리의 필요성 역시 매우 커지고 있다.

그러나 현재 배터리 산업을 주도하는 무기 음극재(흑연, LTO 등)는 원하는 만큼 에너지 밀도를 높이는 데 한계가 있고, 배터리 제조에 사용되는 원료 공급망의 제약도 갈수록 커지고 있어 자원 고갈 및 환경적 부담을 줄이면서 지속 가능한 배터리 기술을 확보하는 것이 추후의 이차전지 산업 경쟁력을 좌우할 핵심 과제로 떠오르고 있다.

 

 이 때문에 새로운 소재, 특히 새로운 나노 흑연 음극재에 대한 관심이 빠르게 높아지고 있다. 유기 합성 기반의 나노 흑연은 설계 자유도가 높아 원하는 물성을 더욱 세밀히 조절할 수 있고, 상대적으로 자원 부담도 적다는 이점이 있다. 다만 내구성과 전기전도도가 상대적으로 약한 문제가 있었는데, 금번 소개할 연구는 안티솔벤트 결정화 기법으로 이 두 가지 한계를 동시에 해결하며 “ 유기 합성 기반의 나노 흑연도 무기 소재만큼이나 강력한 대안이 될 수 있다”는 가능성을 열었다는 점에서, 배터리 업계의 뜨거운 주목을 받고 있다.

 

 KIST 안석훈 기능성복합소재연구센터장 연구팀과 UNIST 강석주 교수 연구팀의 공동 연구팀은 빠른 충방전 및 고전압에서 사용이 불가능한 기존 리튬이온 배터리(LIB)의 흑연의 단점을 극복한 나노 흑연 음극재를 개발했다고 발표했다. 이 나노 흑연은 뒤틀린 구조 및 일반 흑연(0.33 nm)보다 큰 층간거리(1.23 nm)를 가지고 있어, 고속 충·방전시에도 안정된 결정구조를 유지하는 새로운 리튬이온배터리용 음극재를 제조할 수 있게 되었다.

 

 이 소재의 가장 큰 장점은 다양한 양극재와의 호환성을 보여준다는 점이다. 실험 결과 해당 소재는 일반적인 리튬인산철(LFP)와 결합해 3.0 V 근방의 셀 전압과 높은 출력 특성을 유지했고, 리튬코발트산화물(LCO)이나 고니켈(NMC811)과 같이 4V 이상을 지향하는 고전압 양극재와도 우수한 수명 및 전력 밀도를 보여주었다. 이러한 결과는 고전압 리튬이온배터리의 구현 가능성을 열어, 기존 무기 음극재 대비 경쟁력 있는 대안이 될 수 있음을 시사한다.

 

 무엇보다 주목할 점은 수백 회 이상 충·방전 후에도 용량의 90% 이상을 유지할 만큼 내구성이 높다는 것이다. 연구진은 추가로 전해액 최적화, 대량생산 공정 확립 등을 통해 상용화를 앞당길 계획이라고 밝혔다. 업계에서는 이러한 고결정성 유기 음극재가 향후 전기자동차·에너지 저장장치 분야에서 가볍고 안전하며, 자원 고갈 문제에도 대응 가능한 차세대 배터리 소재가 될 수 있을 지 주목하고 있다.




[그림1] 다양한 양극재(LFP, LCO, NMC) 적용시 배터리 성능 비교

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