[4월 1주 연구노트 ②] 리튬충전지 신소재 물결 맞선 ‘흑연의 역습’?
[4월 1주 연구노트 ②] 리튬충전지 신소재 물결 맞선 ‘흑연의 역습’?
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강준 한국해양대 교수 연구진
▲ 강준 한국해양대 교수.

[한국대학신문 김정현 기자] 충전식 전지가 빨리 방전된다는 편견은 이제 옛말이다. 리튬(Li) 이온을 이용한 이차전지(충전지)는 다른 물질을 매개체로 쓰는 전지에 비해 가볍고, 효율이 좋다. 대용량 전지, 무선청소기와 같은 응용 상품이 상용화되는 원동력이 됐다.

최근 학계는 리튬이온 전지의 효율을 결정하는 양극과 음극의 이온 저장능력을 높이기 위해, 기존의 흑연을 대신할 신소재를 찾는데 주력하고 있다. 이런 분위기와 상반되는 연구 결과가 최근 보고됐다.

강준 한국해양대 교수(기관공학)는 음극을 합성하면서 기존보다 높은 농도(4%wt)의 리튬을 첨가하고 열처리(annealing)했다. 논문에 따르면, 이 과정에서 리튬이 확산되며 나노 크기의 빈 공간이 수많이 생성된다. 이를 통해 매우 높은 밀도의 리튬 원자가 응집된 새로운 탄소 산화물이 만들어졌다. 전지가 충전과 방전을 거듭하면서 빈 공간은 리튬 이온을 저장하는 일종의 ‘창고’로 기능한다.

▲ 한국해양대 연구진이 플라즈마 공정으로 만든 리튬-탄소 물질의 모습.(자료=Small 논문 중 일부)

리튬은 산화가 일어나기 쉬워 통상 리튬산화물의 형태로 전지에 장착한다. 4일 한국해양대에 따르면, 연구진은 플라즈마 공정을 활용해 산화되지 않은 상태의 리튬을 탄소에 넣는 데 성공했다. X선 광전자 분광법(XPS), 핵자기공명(NMR) 등을 활용해 검증한 결과, 현재 상용되는 흑연 소재보다 3배 높은 리튬 이온 저장능을 발휘했다. 

연구진은 논문에서 “리튬 대신 나트륨 전구체를 활용할 경우 나트륨 이온 배터리의 음극(annode)을 개발할 수 있을 것”이라 전망했다. 과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업단 내 하이브리드인터페이스 기반 미래소재연구단의 지원으로 수행된 본 연구는 지난달 30일 국제학술지 《스몰》에 게재됐다.


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