KIST·UNIST 공동 연구팀, 천연물질 활용한 고용량 양극소재 개발

최태우 기자 / 기사승인 : 2020-03-17 16:57:01
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DNA, 탄소나노튜브 활용한 리튬 과잉 양극소재(OLO) 표면 안정화 구현
▲ (왼쪽부터) KIST 에너지저장연구단 정경윤 단장, 장원영 박사, UNIST 에너지 및 화학공학부 이상영 교수 [사진=KIST]
[IT비즈뉴스 최태우 기자] 국내 연구진이 합성소재가 아닌 천연물질을 활용한 차세대 고용량 양극소재 개발에 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST)은 17일 에너지저장연구단 정경윤 단장, 장원영 박사 연구팀이 울산과학기술원(UNIST) 이상영 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 연어의 DNA를 활용, 리튬 과잉 양극소재(Over-Lithiated Oxide, OLO)의 표면을 안정화시킨 고성능 양극소재를 개발했다고 밝혔다.

이차전지의 일종인 리튬이온전지는 충전 과정에서 리튬이온이 음극에서 양극으로 이동-저장되는 구조다. 이 양극에 저장할 수 있는 리튬이온이 많을수록 전지의 용량은 향상된다. 고용량의 양극소재 개발은 리튬이온전지 용량증대의 핵심이다.

리튬 과잉 양극소재(OLO)는 이론용량이 250mAh/g 수준으로 기존 상용화 소재인 160mAh/g보다 에너지 저장용량을 약 50% 늘릴 수 있는 차세대 양극소재로 주목을 받아왔다.

허나 충·방전 과정에서 리튬이 위치한 금속층이 붕괴되고 부풀어 오르면 더 이상 사용할 수 없는 점이 문제로 제기돼 왔다.

KIST 연구진은 투과전자현미경을 이용해 기존 OLO 소재의 표면과 내부의 결정구조 변화를 각각 위치별로 분석한 결과 전지 구동 후 전극의 표면에서부터 금속층 붕괴가 진행된다는 사실을 확인했다고 밝혔다.

연구진은 리튬이온과 친화력이 우수한 연어의 DNA를 활용해 소재 붕괴의 원인인 표면 구조를 제어했다. DNA는 수용액 내에서 거대하게 뭉쳐지는 문제가 있는데 탄소나노튜브(CNT)와 합성, 이를 극복하고 균일하게 배열해 OLO 표면에 부착하는 방법으로 새로운 양극소재를 개발했다.

KIST 연구진은 통합 고도분석법으로 분석, OLO 소재의 전기화학적 특성 및 구조 안정성 향상의 메커니즘을 규명했다고 밝혔다.

 

▲ 리튬이온과 친화력이 우수한 연어의 DNA를 탄소나노튜브와 합성해 OLO 표면에 부착, 표면 구조를 제어한 양극소재를 합성하는 절차의 모식도 [KIST 자료인용]
실시간 X-선 분석기법으로 충·방전이 진행되는 과정에서 전극 소재의 구조 붕괴가 억제됨을 확인했고, 실제로 구조 변화 분석을 통해 배터리가 과열되더라도 안정적인 형태를 유지했다고 부언했다.

UNIST 이상영 교수는 “합성소재 기반의 기존 시도들과는 다른 개념인 생명체의 기본 물질인 DNA를 이용한 연구로 고성능 전지 소재 개발의 새로운 방향을 제시한 점이 의의가 있다”고 밝혔다.

KIST 정경윤 단장은 “통합 고도분석법을 통해 고에너지·안전성 양극소재의 설계 인자를 제시했다는 것에 의미가 있다”며 “연구 결과를 토대로 기존 상용화 양극소재를 대체할 신규 소재 개발 연구에 집중할 계획”이라고 포부를 밝혔다.

해당 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업, 기초연구사업 및 웨어러블플랫폼소자기술센터사업으로 수행됐다. 연구 결과는 에너지 분야의 세계적 권위지인 ‘Advanced Energy Materials’ (IF:24.884, JCR 분야 상위 1.69%) 최신 호에 표지 논문으로 이달 3일 출판, 게재됐다.

 

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