박병우 교수팀, 리튬 배터리 성능 높이는 그래핀 코팅 음극전극 개발

미국 버클리 연구소와 공동 연구

박병우 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 리튬 배터리 성능을 높이는 기술을 개발했다.

서울대 공대는 박병우 재료공학부 교수와 미국 버클리 연구소 김천중 박사가 고체상 반응을 이용해 그래핀이 균일하게 코팅된 Li4Ti5O12(LTO) 음극전극의 개발에 성공했다고 3일 밝혔다.

LTO 음극전극은 기존의 전극과 비교해 충ㆍ방전시 효율성이 높아 기업이나 연구소에서 차세대 음극 물질로 주목해 왔으나 낮은 전기전도를 띠고 있어 상용화에 걸림돌이 있었다.

연구팀은 차세대 소재로 불리는 그래핀을 접목해 티타늄 산화물을 그래핀 산화물로 미리 코팅한 후 리튬 전구체와 열처리 과정을 통해 그래핀 산화물의 환원과 고체상 반응을 동시에 진행하는 기법으로 그래핀이 코팅된 LTO 합성에 성공했다.

기존의 그래핀 코팅 리튬-금속 산화물과 비교해 표면이 균일하고 안정된 코팅을 형성하고, 코팅된 LTO 또한 단결정 성장을 이뤄 세계 최고 수준의 충ㆍ방전률을 기록했다.

그래핀은 탄소의 동소체 중 하나로 탄소 원자들이 각각 sp2 결합으로 연결된 원자 하나 두께의 2차원 구조를 가진다. 벤젠 형태의 탄소 고리가 벌집 형태의 결정 구조를 이뤄 흑연과 비슷한 결정 구조를 가지지만 한 개의 층을 가진다.

이번 연구는 한국연구재단 기후변화 대응과제사업과 미국 에너지국 연구 과제의 일환으로 진행돼 세계적 권위의 학술지 저널 오브 머티리얼스 케미스트리 에이 최신호 표지 논문으로 선정됐다.

박 교수는 “전도성을 갖는 물질을 LTO 표면에 코팅해 초기 리튬이온의 빠른 반응을 유도해 LTO의 단점인 비전도성을 극복하고자 했다”며 “이번 연구로 향상된 리튬 배터리는 충전 속도가 빠르고 충전 횟수도 크게 늘어나 휴대전화, 노트북, 전기자동차 등에 혁신적인 발전을 가져올 것“이라고 밝혔다. 

양의 전하를 띄게 만든 이산화 타이타늄(P25)에 음의 전하를 가지는 산화 그래핀을 정전기적 인력을 통해 감싸게 한 후 Li 소스인 Li2Co3를 이용해 열처리 과정으로 LTO를 합성한다.