왼쪽부터 제1 저자로 참여한 KU-KIST융합대학원 김시온 석사과정, 교신저자를 맡은 윤영수 교수(사진=고려대)
리튬이온전지는 전기자동차, 에너지저장장치 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 학계에서는 리튬이온전지의 활용도가 높아지는 만큼 용량과 충전 속도를 개선하려는 연구가 한창이다.
연구팀은 흑연과 하드카본을 물리적으로 혼합해 높은 성능을 구현했다. 흑연은 안정적이고 효율이 높다는 장점을 바탕으로 음극재로 널리 쓰이고 있지만 급속 충전을 하면 리튬 이온이 충분히 저장되지 못해 용량이 감소한다.
또 다른 탄소 소재인 하드카본은 흑연과 다른 구조(결함 구조, 나노기공)로 리튬을 빠르게 저장할 수 있지만, 단독으로 사용하기에는 전극 밀도와 초기 효율이 낮은 단점이 있다.
연구팀은 흑연과 하드카본을 화학적으로 결합하거나 복잡한 공정을 거치지 않고, 가루 형태 그대로 섞는 일반적인 방식으로 혼합했다. 그 결과 두 소재가 서로의 리튬 저장 반응을 도와주는 새로운 상호작용을 보였다. 흑연은 일정한 전압 구간을 제공하여 하드카본이 충분히 리튬을 저장할 수 있도록 돕고, 하드카본은 급속 충전 시 전류 부담을 줄여 흑연의 용량 저하 한계를 극복한 것이다.
이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행했다. 연구 결과는 재료과학 저명 국제학술지(Advanced Functional Materials)에 게재됐다. 연구팀은 “이번 연구는 하드카본이 단순히 흑연을 보조하는 첨가제가 아니라 흑연과 함께 리튬 저장 경로를 조절하는 소재로 작용할 수 있음을 보여준다”며 “특히 복잡한 합성 공정 없이 물리적 혼합만으로 성능 향상이 가능하다는 점에서 차세대 음극 설계 방향을 제시했다는 의미가 있다”고 설명했다.
