고출력·고효율 리튬이차전지 양극소재 개발
포항가속기연구소 안도천 박사 연구팀
(서울=연합뉴스) 윤보람 기자 = 국내 연구진이 고효율의 리튬이차전지 양극소재를 개발해 차세대 리튬전지 개발의 길을 열었다.
한국연구재단은 포항가속기연구소 안도천 박사와 이국승 박사(제1저자) 등이 리튬망간인산화물에 은 나노입자를 첨가함으로써 고출력·고용량·고수명의 특성을 구현한 리튬전지 양극소재를 개발했다고 12일 밝혔다.
리튬망간인산화물(LiMnPO4) 양극소재는 현재 리튬이차전지용 양극소재로 상용화된 리튬철인산화물(LiFePO4)과 구조가 같지만 높은 작동 전위 때문에 에너지 밀도가 높아 효율성이 우수하다.
그러나 전기전도도가 리튬철인산화물보다 100배 이상 낮아 용량과 출력이 매우 낮은 탓에 양극소재로 관심 받지 못했고 연구 결과도 많지 않았다.
연구팀은 리튬망간인산화물을 양극소재로 활용하려면 전기전도도를 크게 향상시킬 필요가 있다고 판단해 이번 연구를 수행했다.
우선 리튬망간인산화물 전체 질량의 1%에 해당하는 미량의 은을 첨가하고 합성 공정이 단순한 고상법을 이용해 은 나노입자가 들어간 리튬망간인산 양극소재를 합성했다.
고상법은 서로 다른 산화물이나 탄산염 등을 혼합해 고온에서 고체 간 반응을 일으켜 원하는 조성의 분말을 얻는 합성 방법의 하나로 대량 생산에 용이하다.
그 결과 전기전도도가 매우 낮은 리튬망간인산화물 결정들 사이에 전기전도도가 가장 높은 금속에 속하는 은이 나노입자로 존재해 '전도 다리' 역할을 하는 구조가 되면서 전기전도도가 1만배 향상된 사실을 확인했다.
또 전기화학특성을 평가했더니 같은 합성법으로 기존에 보고된 리튬망간인산화물보다 고출력·고용량·고수명 특성을 나타냈다. 특히 6분 내로 방전을 시켰을 때 100배 이상 빠른 고출력 특성을 보였다.
기존에 인산계산화물의 전기전도도를 높이기 위해 코팅하거나 혼합해 활용했던 카본보다 이번 연구에서 사용한 미량의 은이 전기전도도를 더욱 크게 향상시켜 단위 부피당 에너지밀도를 높인다는 사실도 밝혀냈다.
안도천 박사는 "리튬망간인산화물을 리튬이차전지용 양극소재로 상용화할 수 있는 가능성을 연 것"이라며 "전기자동차나 정보기술(IT), 에너지 저장 등 분야에 활용 가능한 차세대 리튬이차전지 개발에 기여할 것으로 기대된다"고 말했다.
교육부와 한국연구재단이 추진하는 이공학 개인기초연구 지원사업으로 수행된 이번 연구는 나노스케일 7월 7일자 온라인판에 게재됐으며 최신호의 내부 표지논문으로 선정됐다.
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