흑연대신 LTO 넣어 배터리 용량을 늘렸다

에너지기술연구원, 리튬 배터리 전극소재 개발
산소결함 가진 LTO로 기존보다 1.5배 용량 증가
온도변화 급격한 환경에서도 성능 그대로 유지
자동차, ESS, 자율독립전원, IT기기 등에 사용

한국에너지기술연구원 고온에너지전환연구실 김현욱 박사팀이 산소원자가 일부 빠진 리튬티타네이트산화물(LTO)로 하이브리드 커패시터 시작품을 만들었다. 에너지기술연구원 제공

[파이낸셜뉴스] 한국에너지기술연구원 고온에너지전환연구실 김현욱 박사팀이 리튬 배터리의 용량과 안정성을 향상시키는 전극소재 기술을 개발했다. 산소 결함을 가진 리튬티타네이트산화물(LTO) 전극은 넓은 작동전압 범위와 함께 상용 LTO 배터리보다 1.5배 높은 243㎃h/g의 용량을 가지며, 배터리를 반복 사용해도 용량감소가 거의 일어나지 않는다. 이 소재를 사용한 배터리는 온도 변화가 급격한 외부 환경에 장기간 노출되는 자동차, 에너지저장장치(ESS), 자율독립전원, 정보통신기기 등에 사용될 수 있다.

김현욱 박사는 22일 "리튬티타네이트산화물에는 12개의 산소원자가 있는데, 이중 일부를 제거하면 불안정할 줄 알았지만 오히려 충방전 과정에서 안정성과 용량이 늘어난 것을 발견했다"고 말했다.

연구진은 현재 이 LTO 소재를 이용해 저온에서 작동 가능한 리튬이온전지 및 슈퍼레독스 커패시터를 개발 중이다.

이 저온형 전지는 향후 기존 배터리가 작동하지 못하는 극저온의 온도영역에서도 자유롭게 사용할 수 있는 고안정성 배터리로 활용될 전망이다.

흑연을 사용하는 일반 배터리는 용량이 높지만 출력이 낮아 특정장비에 사용하는 배터리는 LTO 소재를 사용한다. 예를들어 전동공구에 쓰이는 배터리는 흑연 대신 LTO를 넣어 출력을 높인다. 하지만 LTO 소재가 들어간 배터리는 용량을 높이면 내부 구조가 깨지는 현상이 발생한다. 연구진이 개발한 LTO 소재는 산소원자를 일부 제거해 그 현상을 최소화 한 것이다.

한국에너지기술연구원 고온에너지전환연구실 김현욱 박사팀이 산소원자가 일부 빠진 리튬티타네이트산화물(LTO)로 하이브리드 커패시터를 이용해 태양전지와 온도습도 센서를 연결해 작동시키고 있다. 에너지기술연구원 제공

연구진은 새로 개발한 LTO로 반쪽전지의 코인셀을 제작하고 0.01V에서 3V까지의 작동전압에서 특성을 실험했다. 그결과 산소 결함을 가지고 있는 LTO는 상용 LTO에 비해 약 1.5배 높은 243㎃h/g의 용량을 가지는 있는 것으로 밝혀졌다. 또 상용 LTO는 충방전을 거듭할수록 급격하게 용량이 줄어들었지만, 연구진이 개발한 LTO 전극 재료는 최악의 환경에서 100회 이상 충방전을 해도 초기 용량의 95%를 유지했다.

이 LTO 전극은 산소원자가 빠져 형성된 전자가 LTO 내 리튬-리튬 이온 간의 상호작용을 원활하게 만들었다.

즉 리튬이온이 5개까지 들어가는 고용량 충방전 반응에서 산소 결함이 없는 상용 LTO보다 더 높은 구조적 안정성을 가졌다.

김현욱 박사는 "이번에 개발한 전극 재료는 저온 환경에서도 안정적으로 작동해 특수 목적의 다양한 배터리 분야에 응용이 될 수 있다"며 "배터리 산업에 핵심적인 역할을 할 수 있는 원천소재"라고 말했다.

한편, 연구진은 새로 개발한 배터리용 전극소재를 재료과학기술 분야의 세계적 학술지인 '응용 표면 과학(Applied Surface Science)'에 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자