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[IT뉴스]‘질소’ 담은 단일벽 탄소나노튜브로 이차전지 음극재 성능 높였다

온카뱅크관리자

2024-04-23 11:52:11

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 <img alt="한국전기연구원 연구진이 질소도핑 단일벽 탄소나노튜브 모형과 복합음극재를 들고 있다. 왼쪽부터 한중탁 책임연구원, 이도근 학생연구원. 전기연 제공" class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202404/23/dongascience/20240423115218302gnha.jpg" data-org-width="680" dmcf-mid="2M3EomGkt8" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202404/23/dongascience/20240423115218302gnha.jpg" width="658">
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 한국전기연구원 연구진이 질소도핑 단일벽 탄소나노튜브 모형과 복합음극재를 들고 있다. 왼쪽부터 한중탁 책임연구원, 이도근 학생연구원. 전기연 제공
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 국내 연구진이 탄소나노튜브에 질소를 담아 이차전지 음극재의 용량과 안정성을 높이는 기술을 개발했다. 기존 실리콘만을 사용한 음극재보다 높은 성능과 안정성을 확보한 새로운 복합음극재를 만드는 데 활용될 것으로 기대된다.
 한국전기연구원(KERI)은 한중탁 나노융합연구센터 책임연구원과 이도근 학생연구원 연구팀이 리튬이온전지 음극재의 고용량·고안정성을 확보하는 ‘실리콘-질소도핑 카본 복합음극재’ 제조 기술을 개발했다고 23일 밝혔다.
 실리콘은 리튬이온전지의 기존 음극 소재인 흑연보다 에너지 밀도가 약 10배 이상 높다. 그러나 지속적인 충·방전 시 부피가 3~4배 팽창한다는 단점이 있다. 실리콘 입자가 쉽게 부서져 전지의 성능을 감소시키는 문제도 있어 단독으로 음극재에 활용할 수 없었다. 이 때문에 앞서 학계에서는 실리콘에 다른 물질을 첨가해 단점을 보완하는 기술 개발이 활발했다.
 실리콘의 단점을 극복할 수 있는 소재로는 탄소나노소재가 주목받은 바 있다. 연구팀은 이번 연구에서 질소를 첨가한 단일벽 탄소나노튜브와 그래핀을 활용해 기존 실리콘 소재의 한계를 극복했다.
 탄소나노튜브는 다중벽과 단일벽으로 나뉜다. 벽이 1개인 단일벽이 가늘고 투명해 물성과 전기전도성이 훨씬 우수하다. 질소는 리튬이온과 친화도가 높고 전기화학적으로 안정된 원소다.
 탄소나노튜브는 서로 뭉치려는 성질이 있어 복합음극재에 활용하기 위해서는 이를 분산하는 기술이 요구됐다. 이밖에도 단일벽 탄소나노튜브는 지름이 1~2나노미터(nm, 10억분의 1미터)에 불과해 다중벽보다 분산이 훨씬 더 어렵다는 문제도 있었다.
 연구팀은 밀가루를 반죽하는 방식과 유사하게 단일벽 탄소나노튜브를 분산하는 기술을 세계 최초로 개발했다. 이 기술로 리튬이온을 좋아하는 질소를 탄소 사이사이에 효과적으로 첨가하는 데 성공했다.
 이렇게 개발된 질소도핑 단일벽 탄소나노튜브를 리튬이온전지 음극재에 적용해 리튬이온이 실리콘으로 이동하는 속도와 충전 속도를 높였다. 충·방전 주기 안정성을 향상시키는 효과도 확인됐다.
 연구팀은 개발한 복합음극재의 외부를 우수한 전기 전도성 및 기계적 강도를 지닌 그물망 구조의 그래핀으로 감싸 실리콘의 부피팽창을 억제하는 안정성도 확보했다.
 리튬이온전지 충·방전 100회 실험에서 우수한 성과가 확인됐다. 기존 실리콘 음극재가 적용된 리튬이온전지는 30% 정도만 전지 성능이 남았다. 반면 이번에 개발된 복합음극재가 적용된 전지는 82% 이상의 전지 성능이 남았다.
 연구를 이끈 한 책임연구원은 “이번에 개발한 복합음극재는 실리콘의 단점을 보완하고 고용량이 장시간 안정적으로 유지되는 장점이 있다”며 “전지 전극의 전도성과 성능을 높이기 위해 기존에 첨가되던 ‘카본블랙’과 같은 도전재(전자 흐르을 돕는 물질)를 넣지 않아도 될 수준”이라고 전했다.
 연구팀은 이번 기술이 리튬 확산 속도가 중요한 전고체전지 음극에도 활용이 가능할 것으로 보고 있다. 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈에’에 최근 게재됐다.
 [박정연 기자 hesse@donga.com]
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