"빠른 충전, 긴 수명" 차세대 배터리 음극 소재 개발
포스텍, 한국에너지기술연구원과 공동 연구
포스텍(포항공과대학교)은 한국에너지기술연구원과 공동 연구를 통해 차세대 배터리 음극 소재를 개발했다고 16일 밝혔다.
공동 연구팀은 이번 연구를 통해 전기차에서부터 대규모 에너지저장장치(ESS)까지 빠른 충전과 높은 에너지 효율을 동시에 만족시키는 배터리 기술에 대한 해답을 찾았다.
리튬이온전지에서 흔히 사용되는 흑연 음극은 내구성은 뛰어나지만, 낮은 이론 용량과 느린 충·방전 속도가 한계였다. 이를 극복하기 위해 연구팀은 '하드카본'과 '주석'을 결합한 새로운 전극 설계 전략을 제안했다.
연구팀은 이번 연구에서 솔-젤(sol–gel) 공정과 열 환원 과정을 도입해 수 나노미터 크기의 주석 입자를 하드카본 내부에 균일하게 분산시키는 데 성공했다.
이 복합 구조의 특징은 단순한 물리적 결합을 넘어선 기능적 시너지로, 주석 나노입자는 활물질로 작용함과 동시에 하드카본 결정화를 유도하는 '촉매' 역할도 수행한다. 덕분에 낮은 온도에서도 고결정질 카본이 형성되며, 충·방전 과정에서는 리튬 이온과의 반응을 통해 Sn–O(주석-산소) 결합을 재형성해 배터리 용량을 더욱 높이는 데 기여한다.
개발된 전극은 리튬이온전지에서 20분 급속 충전 조건에서도 1500사이클 이상 안정적인 성능을 유지하며, 기존 흑연 음극 대비 약 1.5배 높은 부피 에너지 밀도를 기록했다. 고출력과 고에너지 특성을 동시에 구현하며, 수명 안정성까지 확보한 셈이다.
특히 이번 전극은 리튬이온전지뿐만 아니라 나트륨이온전지에서도 우수한 성능을 보였다. 일반적으로 나트륨 이온은 흑연이나 실리콘과의 전기화학 반응성이 낮아 기존 음극 소재와는 잘 반응하지 않지만, 하드카본-주석 나노 복합 구조는 나트륨 환경에서도 높은 안정성과 빠른 반응성을 유지해 다양한 전지 시스템에의 적용 가능성을 입증했다.
포스텍 박수진 교수는 "차세대 고성능 배터리 개발의 새로운 이정표를 제시했다"며 "전기차, 대규모 에너지저장시스템 등 응용 분야에서 활용이 기대된다고 말했다.
경제부 김금준 기자
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