KAIST, 2차전지용 고성능 양극소재 원천 기술 확보

송고 2008.11.19 09:43 | 수정 2008.11.19 09:39
최정엽 기자 (jyegae@ebn.co.kr)

리튬 망간계 스피넬형 나노막대 물질 합성 성공…美 화학회 나노레터스 논문 소개

하이브리드 자동차와 미래의 전지자동차의 핵심부품인 리튬이온 2차전지의 성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 1차원 나노구조 형태의 리튬망간계 스피넬(spinel. 첨정석, 尖晶石)형 양극소재를 합성하는 원천기술이 개발됐다.

KAIST(총장. 서남표)는 19일 신소재공학과 김도경(사진 49세 입학본부장) 교수가 美 스탠포드대학 이 쿠이(Yi Cui) 교수팀과 공동으로 리튬이차 전지의 충방전 특성과 고온 안정성을 높일 수 있는 리튬망간계 스피넬형의 양극물질을 나노막대 구조로 대량 합성하는 기술을 확보했으며, 이 논문은 나노과학 분야의 국제적 권위학술지인 ´나노 레터스(Nano Letters)´ 11월호에 소개됐다고 밝혔다.

특히 이번 기술은 저공해 하이브리드 자동차와 무공해 전기자동차의 핵심기술이며, 리튜이온 2차전지의 경우 최근 휴대용 전자기기 전원공급 장치의 주종을 이루는 등 전 세계 연구자들이 뜨거운 개발 경쟁을 벌이는 분야다.

현재 상용화된 리튬전지용 양극인 리튬코발트계 소재는 특성은 우수하지만 가격이 비싸고, 충방전시 발생하는 열에 취약해 대량의 전류밀도를 필요로 하는 하이브리드 자동차용 등의 적용에는 한계를 안고 있다.

이와 달리 리튬망간계 양극소재는 원료가 풍부해 가격이 낮을 뿐만 아니라 친환경적인 소재로 평가받고 있다. 특히 안정된 스피넬형 원자구조를 이룰 경우 고온 안정성도 뛰어나다.

하지만 충방전 속도가 느리고, 계속되는 충방전 사이클에 따라 특성이 저하되는 단점이 있다.

이를 극복하기 위해 나노입자화 또는 나노기공의 도입이 시도됐지만, 나노구조화 방법 또한 양극소재의 적층밀도를 낮춰 단위부피당 생산하는 전류밀도를 낮추는 결과를 나타내는 등 그동안 적층밀도를 높일 수 있는 1차원 나노구조인 나노와이어 또는 나노막대형 전극소재의 개발이 절실했다.

이에 김 교수팀은 안정된 스피넬구조의 리튬망간 소재를 100나노미터(1나노미터는 백만분의 1미리미터) 굵기의 나노막대 구조로 대량 합성하는 기술을 개발했으며, 리튬이온전지의 양극에 적용한 결과 높은 전류밀도 조건에서도 충방전 특성이 크게 개선됨을 확인할 수 있었다.

KAIST 관계자는 "고리튬원자가 스피넬 구조에서 빠져나오는 단계인 충전반응에서 나노막대 양극소재는 원자구조가 크게 바뀌지 않는 특성을 갖고 있었다"면서 "이것이 많은 횟수의 충방전에도 특성이 저하되지 않는 원인임을 알아냈다"고 설명했다.

그는 또 "이번에 개발된 나노소재 합성법은 수열합성법과 일반 열처리를 결합한 공정으로 대량생산에 비교적 쉽게 적용할 수 있어 조기 산업화가 가능하다"고 덧붙였다.

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