한국표준과학연구원과 건국대 김연호 교수 연구팀은 리튬이온 배터리의 초기 쿨롱 효율과 용량을 획기적으로 높인 나노구조체를 개발했다고 28일 밝혔다. 리튬이온전지는 스마트폰과 전기자동차 등에 널리 쓰이지만, 현재 음극 소재로 쓰이는 흑연의 용량이 제한적이어서 한계가 있다.
산화철은 매장량이 풍부하고 화학적으로도 안정적인데다 기존 흑연 소재보다 용량이 커 차세대 리튬이온 배터리 소재로 주목받고 있지만, 초기 쿨롱 효율과 리튬 이동 정도가 낮아 실제 개발은 제한적이다.
쿨롱 효율은 직전 사이클에 충전한 용량 대비 해당 사이클에 충전한 용량 비율로, 배터리 성능의 중요한 지표가 된다. 연구팀은 산화철 리튬이온 전지에서 리튬이온이 활발하게 이동할 수 있도록 기공을 일렬로 정렬시켜 ㎚(나노미터·10억분의 1ｍ) 크기 메조 다공성(메조 기공 구조체) 터널을 만들었다.
이 터널과 표면의 기공을 통해 리튬이온이 쉽게 이동할 수 있어 전기화학적 특성을 획기적으로 높일 수 있다.
초기 쿨롱 효율은 약 85.4%로 지금까지 나온 산화철 기반 리튬이온전지 중 가장 높다. 권지환 표준연 선임연구원은 "기존 소재의 단점을 개선하고 배터리 용량을 높였다"며 "다양한 종류의 리튬이온 배터리 소재 개발에 기여할 것"이라고 말했다.
이번 연구 결과는 국제 학술지 '지속 가능한 화학과 공학'(ACS Sustainable Chemistry & Engineering) 이달 호에 실렸다.