포스텍·KRISS 공동연구팀, 차세대 2차 전지 실용화 기술 실현

포스텍(포항공대) 반도체공학과 송재용 교수팀과 한국표준과학연구원(KRISS) 소재융합측정연구소 신호선 박사팀이 공동으로 차세대 2차전지의 실용화를 앞당길 수 있는 고수명 유기전극 개발에 성공했다.

연구성과는 국제 저명학술지 에너지 스토리지 머티리얼스 8월호에 게재됐다.

전기차 등에 주로 사용되는 리튬 2차전지의 전극은 니켈·코발트·망간·알루미늄 등 무기물이 주된 소재인데, 이 광물은 매장량이 제한적인 데다 국제 정세에 따라 수급이 불안정해질 수 있다는 문제점을 안고 있다.

이 때문에 유기물 기반 전극은 기존 소재가 가진 단점을 해결하는 차세대 2차전지의 핵심기술로 꼽힌다.

유기물 소재는 매장된 자원을 채굴해야 하는 무기물과 달리 합성을 통해 대량생산 할 수 있어 가격경쟁력이 우수하고, 용량 대비 가벼우면서 유연하다는 장점이 있다.

하지만 유기 소재 전극이 충‧방전 중 이온화되는 과정에서 전지 안의 전해질 용액에 쉽게 녹아 전지의 수명이 급격히 저하된다는 점 때문에 실용화에 한계가 컸다.

이에 연구팀은 유기전극 후보 물질 가운데 초기 용량이 높은 물질(DMPZ)과 수명이 긴 물질(PTCDA)을 동결 분쇄해 혼합하는 복합소재 제조법을 제시했다. 기존 화학적 방식이 아닌 물리적 혼합방식으로 기술을 실현해 낸 것이다.

이 소재로 실제 전극을 제작해 실험한 결과, 충·방전 과정에서 두 물질의 상호 작용으로 전기적 중성 상태가 지속돼 650회 이상 충‧방전 시에도 초기 용량이 90% 이상 유지되는 것이 확인됐다. 특히 고속 충·방전에도 우수한 특성이 나타나 상용화에 대한 기대를 한껏 높였다.

이번 성과는 2차전지 외에도 물 분해, 가스 센서 등 다양한 분야에 적용될 것으로 기대를 모으고 있다.

신호선 KRISS 스마트소자팀장은 "그린에너지 전환을 위해서는 기존 2차전지의 한계를 뛰어넘을 소재의 혁신이 필요하다"며 "이번 성과로 차세대 2차전지 실용화를 한층 앞당기고, 다양한 분야에서 유기물 기반 전극의 연구개발 활성화에 기여하게 됐다"고 했다.