중앙대 연구팀, 리튬이온 배터리 확산경로 규명…수명 개선 가능성

[이데일리 김응열 기자] 중앙대는 첨단소재공학과의 유영재 교수(지능형에너지산업융합학과 겸임) 연구팀이 리튬이온 배터리용 후막전극 내 도전재의 구조 차이에 따라 이온 확산 경로가 어떻게 달라지는지를 정량적으로 규명했다고 14일 밝혔다.

(왼쪽부터)중앙대 첨단소재공학과의 김병진 석사과정, 김대겸 연구교수, 유지훈 박사과정, 유영재 교수. (사진=중앙대)

리튬이온배터리는 최근 이동형 전자기기, 전기차, 항공·우주, 의료 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 커지고 있다. 이를 위해 리튬이온배터리의 에너지 밀도를 높이기 위한 후막전극 제작용 건식공정 기술이 주목받고 있지만 전극 두께가 두꺼워질수록 리튬이온 확산이 저하되는 한계가 있다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 구형(0D) Super P, 선형(1D) 다중벽탄소나노튜브(MWCNT), 판상(2D) 그라파이트나노플레이트(GNP)를 도전재를 각각 적용한 250μm 두께의 리튬인산철(LiFePO4) 전극을 제작했다. 이후 도전재 구조에 따른 리튬이온 확산경로를 제어하고 전기화학 성능을 비교·분석했다.

그 결과 선형 형태의 MWCNT를 적용한 전극은 높은 기공률(51%)과 낮은 리튬이온 확산경로를 보였다. 반면 판상형 GNP나 구형 Super P 기반 전극은 상대적으로 높은 리튬이온 확산경로 및 낮은 배터리 성능을 보여 도전재 구조가 후막 전극 성능에 영향을 미치다는 점을 입증했다. 건식공정을 적용한 후막전극 내에서 도전재 선택이 리튬이온 확산 최적화의 핵심 변수인 것이다.

유영재 교수는 “고에너지밀도 배터리뿐 아니라 구조 중심의 복합소재 설계에도 응용될 수 있는 기반을 마련한 것”이라고 연구 의의를 설명했다.

이번 연구는 산업통상자원부 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 첨단소재공학과의 김병진 석사과정생, 김대겸 연구교수, 유지훈 박사과정생이 공동 제1저자로 참여했다.