기초과학연구원(IBS) 나노입자 연구단 연구팀이 힘세고 오래가는 배터리를 만들 신소재를 개발하는 데 성공했다.

이번 연구 성과는 화학분야 최고 권위지 ‘미국화학회지(JACS)’ 온라인 판에 지난달 27일 자에 실렸다.

개발된 신소재를 리튬이온전지의 전극으로 사용할 경우 기존 배터리의 한계를 극복하고 용량을 30% 이상 향상시킨 차세대 고용량 배터리 개발을 견인할 것으로 기대된다.

연구팀은 수 나노미터(㎚·10억 분의 1m) 크기의 이산화티타늄 나노입자를 이용, 음극 소재로 최적화된 구조를 발굴했다. 우선 나노 이산화티타늄 입자의 크기와 구조를 바꿔가며 다양한 구조를 합성했다. 이들을 제자리분석방법을 통해 관찰하며 합성된 각종 나노 구조의 리튬이온수송 과정을 분석해 최적의 구조를 찾아냈다.

그 결과 수 ㎚ 크기 이산화티타늄 입자가 집합체로 모여 속이 빈 구 형태의 2차 입자를 형성할 때 가장 안정적이면서 효율적으로 리튬을 저장한다는 사실을 규명했다. 속 빈 구 형태의 나노 이산화티타늄 구조가 넓은 표면에서 일어나는 리튬과의 화학적 반응은 최소화하면서, 리튬이 내부로 삽입되는 반응의 비중을 키우기 유리하기 때문이다.

이어 연구팀은 이 나노구조를 음극으로 적용한 리튬이온전지를 개발하고 포항방사광가속기에서 X선 분광실험을 진행하며 미시적 구조와 배터리의 성능 사이 관계를 분석했다. X선 분광실험은 복잡한 구조의 시료 내부에서 발생하는 현상을 실시간으로 분석할 수 있다.

개발된 배터리는 리튬이온 저장성능을 30% 이상 향상시킬 수 있으며 500회 이상 충?방전을 반복해도 고용량·고출력 성능을 유지했다. 속 빈 구 형태의 나노구조가 초과로 저장된 리튬을 효과적으로 안정화시키기 때문에 안정성을 오래도록 유지할 수 있는 것으로 나타났다.

강정의 기자 justice@ggilbo.com