[뉴스웍스=문병도기자] 리튬이온전지는 전기자동차용 전원으로 개발되고 있으나 긴 충전시간 반복되는 충·방전 과정을 거치면 성능이 현격하게 떨어지는 것이 문제다. 

이중기 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구단 박사팀은 급속 충·방전 조건하에서도 고용량, 장수명이 가능한 신개념 리튬이차전지 음극 소재를 개발했다.

KIST 연구진은 열 증발·증착 장치를 사용하여 아주 우수한 탄성을 지니는 플라즈마 중합 탄소구조체를 제조했다. 동시에 화학증착방법을 이용하여 수 나노크기로 주석입자를 균일하게 분산시켰다. 연구진은 이처럼 서로 다른 두 개의 복합공정을 이용하여 새로운 개념의 이차전지 소재를 제조했다. 

이 소재는 우수한 탄성을 지녀 충·방전 시 발생되는 부피 팽창을 극복할 수 있다. 또 산화주석막과 플라즈마 중합된 탄소구조체 사이에 형성된 반도체 접합 구조 계면은 리튬이온과 전자의 이동속도를 가속시켜 고출력, 고용량이 가능하게 할 수 있다. 

이를 전지에 적용하면 충·방전 시 단위시간 당 이동되는 리튬이온의 속도를 증가시키면서도 계면저항을 최소화시킴으로서 급속충전 상태에서도 장시간 고용량 상태를 유지시킬 수 있다.

이렇게 개발한 리튬이온전지용 음극재는 충·방전 시간 50분으로 약 5000회를 반복하여도 97.18%의 성능(기존 이차전지 대비 약 3배)을 유지했다. 또한 급속 충·방전 시간인 4분으로 실험했을 때, 기존 이차전지 대비 1.5배의 성능을 보였고, 충·방전 350회의 반복에도 99% 이상의 성능 유지를 나타내는 현상을 실험적으로 확인했다.

이중기 KIST 박사는 “반도체 접합 구조 계면특성을 가진 리튬이차전지 음극재 합성 기법 및 개선 방안은 차세대 급속 충전용 전기자동차 및 무선이동원인 드론, 근력증강 로봇 등의 전원설계에 응용 가능하다"면서 "무선 이동원의 핵심 디바이스 설계에도 새로운 접근방법을 제시할 것으로 전망된다.“고 밝혔다.  

과학기술정보통신부지원으로 KIST 기관고유사업, 한국연구재단 중견연구자사업을 통해 수행된 이번 연구 결과는 국제 학술지인 ‘ACS 나노' 최신호에 온라인 논문으로 실렸다.