리튬이온 배터리를 100회 이상 충·방전해도 초기 용량을 유지하면서 안전하게 쓸 수 있는 새로운 전극 소재가 개발됐다.

한국에너지기술연구원은 김현욱 박사 연구팀이 리튬 배터리의 용량과 안정성을 높일 수 있는 ‘LTO(리튬티타네이트산화물) 나노 전극 소재’를 개발했다고 22일 밝혔다.

LTO 전극은 1∼3볼트 범위에서 작동하며 반복 충·방전에도 구조적 변화가 없어 안정성이 높은 강점이 있다. 하지만, 다른 전극 재료와 달리 작동 전압 범위에서 방전 용량이 낮아 배터리의 에너지 밀도를 높이는 데 한계가 있다.

연구팀은 리튬이온과 티타늄 전구체를 합성시켜 다공성 LTO를 만든 뒤 이를 고온에서 열처리해 기공 내부의 용매 분자를 제거하고 산소 결함을 가진 LTO를 제조했다. 이 소재는 0.01∼3볼트의 낮은 작동 전압에서 상용 LTO에 비해 약 1.5배 높은 방전용량을 보였다. 또 100회 충·방전 사이클에서도 초기 용량의 95%를 유지하는 것으로 확인됐다.

또 LTO 전극 내부에서 산소 결함으로 형성된 전자가 LTO 내 리튬·리튬이온 간 상호작용을 도와 리튬이온 5개까지 들어가는 고용량 충방전 반응에서 산소 결함이 없는 상용 LTO보다 구조적 안정성이 높은 것으로 나타났다.

김현욱 에너지연 박사는 “온도 변화가 급격한 외부 환경에 장기간 노출되는 자동차, ESS(에너지저장장치), 자율독립전원 등에 폭넓게 적용할 수 있을 것”이라며 “앞으로 기존 배터리가 작동하지 못하는 극저온에서 자유롭게 사용할 수 있는 슈퍼레독스 커패시터 개발에 나서겠다”고 말했다.

서지원 기자 jiwon401@ggilbo.com