김현욱 한국에너지기술연구원 박사.[한국에너지기술연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국에너지기술연구원 고온에너지전환연구실 김현욱 박사 연구팀은 리튬 배터리의 용량과 안정성을 향상시키는 전극소재 기술을 개발했다.

이 기술은 산소 결함을 가진 LTO(리튬티타네이트산화물) 전극을 개발해 넓은 작동전압 범위와 함께 상용 LTO 배터리 대비 1.5배 높은 243m Ah/g의 용량을 가지며 반복적인 충방전에도 용량감소가 거의 일어나지 않는 우수한 특성을 보였다.

전기자동차, 초소형 전자기기, UAM(도심항공모빌리티) 등 산업 분야의 폭발적 성장과 함께 리튬이온 배터리와 하이브리드 슈퍼커패시티 전극소재 개발이 활발하다. 전극소재로 주로 활용되고 있는 흑연은 높은 용량을 갖지만 충방전시 안정성과 낮은 출력 문제가 있다. 흑연의 대안으로 주목받는 LTO 전극은 상대적으로 에너지밀도는 낮으나 고속충전과 높은 출력이 가능하고, 발화 위험이 없는 가장 안전한 전극소재다. 하지만 작동전압이 0.01 V 까지 내려가면 LTO 구조가 불안정해지고 용량이 급격히 감소하는 문제가 있다.

연구진은 문제 해결을 위해 리튬이온과 티타늄 전구체를 합성시켜 다공성 LTO를 만들고 이를 고온에서 열처리해 기공 내부에 있는 용매분자가 제거된, 산소 결함을 가진 고결정성의 LTO를 만들었다.

개발한 LTO 전극 재료로 반쪽전지의 코인셀을 제작하고 0.01 V에서 3 V까지의 작동전압에서 전기화학적 특성을 평가해 산소 결함을 가지고 있는 LTO가 상용 LTO에 비해 약 1.5배 높은 243 mAh/g의 방전 용량을 가지는 것을 확인했다. 또한 충방전 사이클에 따라서 상용 LTO는 급격한 방전 용량 감소가 일어나는 반면, 산소 결함이 있는 신규 LTO 전극 재료는 1C조건에서 100회의 싸이클에서도 초기 용량의 95%를 유지했다.

개발된 신규 D-LTO 전극재료가 적용된 하이브리드 커패시터 시작품.[한국에너지기술연구원 제공]

김현욱 박사는 “이번에 개발한 신규 LTO 전극 재료는 기존 배터리 음극재로 사용되는 흑연처럼 낮은 전압 범위에서 구현할 수 있으며, 저온 환경에서도 안정적 구동이 가능해 특수 목적의 다양한 배터리 분야에 응용이 될 수 있다”며 “온도 변화가 급격한 외부 환경에 장기간 노출되는 자동차, ESS, 자율독립전원, 정보통신기기 등에 사용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

연구진은 후속 연구로 개발된 신규 LTO 소재를 적용해 저온에서 작동 가능한 리튬이온전지 및 슈퍼레독스 커패시터를 개발 중이다.

이번 연구결과는 재료과학기술 분야 국제학술지 ‘응용 표면 과학’에 게재됐다.