다공성 구조로 양극재를 만들면 리튬 이온이 양극재 내부로 원활히 유입되며 전체적으로 높은 농도(모두 붉은색)를 보인다. /사진=한국연구재단리튬이온 전지는 충·방전이 가능한 2차전지다. 에너지 밀도가 높고, 가벼워 전기자동차, 의료장비, 모바일 장치 등 미래 전자장치의 에너지 공급원으로 각광 받고 있다. 그러나 이러한 리튬이온 전지는 고출력의 전지 사용조건에서 급격히 전지 성능이 저하되는 것이 단점이었다. 성능 저하 현상의 주요 원인 중 하나로 전지 사용에 따른 양극재 내부의 상변화가 꼽히고 있다.
국내 연구진이 3차원 다공성구조 설계를 이용해 리튬이온 전지 사용시간을 향상시키거나 전기 저장 용량을 크게 늘릴 수 있는 가능성을 열었다.
한국연구재단은 김동철 교수(서강대) 연구팀이 전지의 양극을 구성하는 금속재료를 작은 구멍(공극)을 갖는 다공성 구조로 설계할 때 이들 구멍의 분포가 리튬이온 전지의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다는 사실을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 밝혔다고 3일 발표했다.
연구결과, 다공성 구조로 양극재를 설계할 때 리튬이온 전지의 성능인 비용량이 크게 향상됐다. 또한 고출력 사용 조건에서의 비용량 손실은 기존의 단순 구형의 양극재를 사용했을 경우 대비 최대 98%까지 줄어든 것으로 나타났다.
이와 함께 공극이 균일하게 분포하지 않으면 오히려 전지 성능 향상에 악영향을 끼칠 수 있음을 밝혔다.
이 연구는 그 동안 실험 중심으로 수행된 리튬이온 전지 설계 연구를 최초로 이론적 수학식을 만들어 시뮬레이션한 결과를 보고했다는 점에서 주목된다.
김동철 교수는 “이 연구는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 고성능의 리튬이온 전지를 만들 수 있는 미세구조 설계 기술을 개발한 것”이라면서 “고성능의 에너지원이 필요한 전기자동차, 첨단의료장비 등에 적용할 수 있을 것”이라고 말했다. 교육부·한국연구재단의 이공학개인기초연구지원사업, 학문후속세대양성사업 등의 지원을 받아 수행된 이번 연구 결과는 국제적인 학술지 사이언티픽 리포트 2월 13일자에 게재되었다.
김동철 서강대 교수./사진=한국연구재단
송지환 UC버클리 박사후 연구원/사진=한국연구재단
