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▲효율·안정성 높인 리튬이온전지 음극 소재 구조 (a) Sn-PC60전극의 구조 및 자가완화특성에 대한 모식도 (b) 충·방전과정 중 금속/n-type반도체(a-SnO2)/p-type반도체(PC60)구조에서의 전자이동에 대한 모식도 및 에너지도표 (제공=한국과학기술연구원) |
리튬이온전지는 가볍고 에너지 밀도가 높아 고용량 전지를 만드는 데 유리하다. 다만 충전시간이 길고 충전·방전 과정을 반복할수록 전극의 안정성이 떨어져 성능이 현격히 저하되는 등 문제가 있다. 더 가볍고 에너지 밀도가 높으며 급속충전이 가능하고 오랫동안 성능저하 없이 사용할 수 있는 우수한 효율과 안정성을 지닌 전지 소재 개발이 과제가 돼 왔다.
연구팀은 이 연구에서 플라스마 중합과 열증착 방식으로 탄소원자로 이뤄진 축구공 모양 분자인 풀러렌 중합체(PC60) 속에 산화주석(Sno₂)에 둘러싸인 주석(Sn) 나노입자를 고르게 분산시켜 우수한 탄성을 지닌 새로운 개념의 이차전지 음극 소재를 개발했다.
이 소재는 탄성이 우수해 충전과 방전 시 부피 팽창으로 인한 전극 불안정을 극복할 수 있고, 고르게 분산된 주석 나노입자와 산화주석, 풀러렌 중합체 사이에 형성된 반도체 접합 구조(p-n 접합) 계면은 전하가 걸려있을 때 리튬이온과 전자 이동속도를 올려 고출력, 고용량이 가능하다고 연구진은 설명했다.
연구팀은 이 원리를 전지에 적용하면 충·방전 시 단위시간 당 리튬이온의 이동속도를 높이면서도 계면저항을 최소화해 급속충전 상태에서도 장시간 고용량 상태를 유지할 수 있다고 설명했다. 실제로 주석 50%와 풀러렌 중합체 50%로 만든 리튬이온전지용 음극재는 충·방전 시간 50분으로 약 5000회를 반복한 뒤에도 용량은 기존 리튬이온전지의 3배, 성능은 97.18%를 유지하는 것으로 나타났다.
또 급속 충·방전 시간을 4분으로 실험했을 때는 기존 이차전지 대비 1.5배의 성능을 보이면서 충·방전 350회 반복 후 99% 이상의 성능을 유지했다.
이중기 박사는 "반도체 접합 구조 계면특성을 가진 리튬이온전지 음극재 합성 기법과 개선 방안은 차세대 급속충전용 전기자동차, 드론, 근력증강 로봇 등의 전원설계에 응용할 수 있다"며 "이 방법이 다른 무선 이동원의 핵심 디바이스 설계에도 새로운 접근법을 제시할 수 있을 것"이라고 말했다.
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