KIER, 이차전지 단점 해결…"전기차 배터리 혹한에도 끄떡없어요"
지난 겨울 한파가 몰아 쳤을 때 전기차가 가장 애를 먹었다. 배터리 저장 성능이 뚝 떨어져 시동 걸기도 어려웠다. 한국에너지기술연구원(KIER)은 영하 20도 혹한에서도 잘 작동하는 이차전지용 금속-유기 하이브리드 전극 소재를 개발했다고 13일 밝혔다. 상온에서만 안정적으로 작동하는 기존 이차전지의 단점을 해결했다. 향후 전기차, 드론, 초소형 전자기기 등 다양한 분야에서 활용 가능할 전망이다. 현재 리튬 이차전지 음극 소재로 흑연을 가장 많이 쓴다. 구조도 안정적이고, 가격도 저렴하다. 그러나 흑연 음극으로 구성된 이차전지는 기온이 영하로 떨어지면 저장 용량이 급격히 줄어든다. 또 충전 과정에서 음극 표면에 덴드라이트(나뭇가지처럼 길쭉하게 쌓이는 일부 리튬)를 형성하고, 분리막을 뚫어 열폭주와 폭발 우려가 생긴다. 에너지연 유정준·김현욱·임강훈 박사 연구팀은 이에 티안트렌 기반의 유기 리간드와 니켈 금속이온을 조합하는 방법으로 전도성 금속-유기 구조체 'SKIER-5'를 개발했다. 유정준 박사는 "'SKIER-5'를 적용한 이차전지 음극재는 영하에서 흑연보다 5배 높은 방전 용량을 나타냈다"고 설명했다. 'SKIER-5'를 적용한 음극의 방전 용량은 상온에서 흑연 전극(375㎃h/g) 대비 (440 ㎃h/g)보다 높았다. 1천600번의 충·방전 후 배터리 저장양은 되레 1.5배 가량 증가(600 ㎃h/g)했다. 일반적으로 충·방전을 반복할수록 방전 용량이 줄어드는 것과 비교하면 매우 이례적인 결과다. 연구진은 포항가속기연구소의 X-선 구조 분석을 통해 이온의 산화 환원 반응이 용량 증가를 일으킨다는 것을 확인했다. 탄소로 구성된 흑연과 달리 니켈 이온과 헤테로 원소(질소, 인 등)를 포함한 유기 구조체는 리튬 이온과 상호작용해 전자가 이동하는 산화 환원 반응이 일어난다. 이 과정을 거치며 더 많은 전자를 품게 됨에 따라 방전 용량이 증가하는 원리다. 김현욱 박사는 "'SKIER-5'는 영하 20도의 환경에서도 흑연에 비해 5배 높은 방전 용량(150 ㎃h/g)을 나타냈다"며 "흑연보다 화학 반응을 일으키는 데 필요한 에너지의 최소치가 낮아 전반적인 반응이 위축되는 저온 환경에서도 안정적인 성능을 나타낼 수 있게 됐다"고 말했다. 임강훈 박사는 “혹한기 상황에서도 안정적인 군사 임무 수행이 가능해 온도 변화가 급격한 환경에서 자동차, ESS, 정보통신기기 등에 널리 사용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다. 연구팀은 현재 극저온 환경에서 안정적으로 구동될 수 있는 민군 겸용 배터리 개발 연구를 기획 및 연구 중이다. 이 연구는 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업과 한국에너지기술연구원 기본사업, 국가과학기술연구회 창의형 융합연구사업의 지원을 받았다. 성과는 재료과학 분야 국제 학술지 '저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이'(Journal of Materials Chemistry A, IF 10.7)의 표지 논문으로 선정됐다.
