경북대, '12분만에 80%충전' 배터리 음극소재 개발 성공

기존 음극재 '낮은 이온 전도도·작은 용량'해결
전 교수 "기술 사용화시 전기차 충전 위해 수십분 기다릴 필요 없어져"

전상은 경북대 금속재료공학과 교수(왼쪽)과 현창완 석사과정생. 경북대 제공

경북대는 전상은 금속재료공학과 교수팀이 12분 안에 배터리 충전의 80%를 달성할 수 있는 리튬이온 배터리용 음극 소재 기술 개발에 성공했다고 22일 밝혔다.

경북대에 따르면 현재 상용화된 흑연 음극재는 고속 충전 시 리튬 플레이팅과 덴드라이트 형성으로 인한 폭발이나 화재 가능성이 있으며, 고속 충·방전에 따른 전극의 변형으로 인해 수명이 급격히 짧아지는 단점이 있다.

이런 문제로 학계에서는 신기술 개발에 나서고 있는 가운데, 전 교수팀은 매우 안정한 화합물인 이산화티타늄(TiO2)을 활용한 해결책을 제시했다. 전 교수팀에 따르면, 기존 TiO2 음극재는 낮은 이온 전도도와 작은 용량이라는 문제가 있다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 속이 빈 구형 구조의 TiO2 음극재를 설계하고, 나노 크기의 TiO2입자와 구형 탄소 입자의 혼합비를 조절하는 간단한 합성 기술을 개발해 속이 빈 TiO2의 두께를 제어했다.

이를 통해 연구팀은 속이 빈 TiO2 구조의 두께를 얇게 조절했고, 이를 통해 배터리 충방전 실험에서 12분 내 용량의 80%를 충전할 수 있는 성능을 확인했다. 아울러 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 리튬이온이 속이 빈 구조 내에서 효율적으로 이동한다는 점 또한 증명했다.

전상은 교수는 "이번에 개발된 속이 빈 구형 TiO2 음극재는 리튬이온의 이동을 효율적으로 개선한 안전하면서도 초고속 충전이 가능한 소재가 될 것"이라며 "이 기술이 상용화된다면, 전기차 충전을 위해 수십분의 시간을 기다릴 필요가 없어질 것으로 기대된다"고 밝혔다.

경북대에 따르면 이번 연구 결과는 JCR 상위 0.3% (Impact factor 12.7)의 학술지인 '컴포지트 파트 B: 엔지니어링(Composites Part B: Engineering)' 8월 10일자에 발표됐다.