한국기술교육대학교(총장 유길상) 에너지신소재화학공학부 김석준 교수 연구팀(김태양 석사, 임채윤 석사)이 ‘신개념 이차전지용 하이브리드 음극 개발’에 성공했다고 22일 밝혔다. 

이번 연구는 고에너지 밀도 이차전지의 음극 구조를 설계하고 디자인하는데 새로운 기준을 제시할 것으로 기대된다.

현재 이차전지에 사용되는 흑연 음극 대신 리튬 메탈이 사용된 전지, 혹은 흑연이나 리튬 메탈이 없는 무음극 이차전지 연구가 활발히 진행되고 있다. 이차전지의 무게 및 부피를 줄여 에너지밀도를 높이기 위함이다. 하지만 충전 시 리튬이 음극에 불균일하게 증착되여 전기화학적 안정성이 매우 떨어지며 상용화되기에 아직 부족한 상태다.

김 교수 연구팀은 음극 활물질인 흑연과 구리 집전체가 혼합되어 단일 구조체로 형성된 ‘다공성의 하이브리드 음극 구조’를 제시했다. 

연구팀이 개발한 하이브리드 음극은 구조적으로는 90% 구리 분말과 10%의 흑연 분말 및 지르코늄 산화물이 혼합된 복합체이다. 기능적으로는 흑연 음극의 층간 삽입(intercalation) 반응과 무음극의 증착(deposition) 반응 기전이 동시에 작동하는 특징을 갖고 있다.

기존 음극 대비 흑연은 3분의 1만 사용되지만, 용량 및 수명은 기존 음극 대비 월등히 향상되었고, LiFePO4 (LFP) 양극을 사용하여 이차전지 제조 시 부피 에너지 밀도가 흑연 음극을 사용한 이차전지 대비 약 2배 향상되었다. 

충전 시 양극에서 오는 리튬 중 일부는 층간 삽입 반응으로 흑연에 저장되고, 일부는 구리 분말 사이의 기공에 증착이 되며, 나머지 일부는 무음극 이차전지와 같이 음극 표면에 균일하게 증착되었다.

기공에 증착된 리튬은 전해질과의 접촉 면적을 최소화시켜 전해질과의 부반응을 줄였다. 집전체 표면의 마이크로미터 (10-6 미터) 크기의 물결 형상 구조는 음극의 표면적을 확장시켜 균일한 리튬 증착을 유도하였다. 

또한, 구리 분말의 소결 시 분말과 분말 사이에 형성된 나노미터(10-9 미터) 크기의 neck도 균일한 증착을 유도하였다. 이 neck은 음의 곡률 (negative curvature)을 갖고 있어서 리튬이 음극에 증착 시 필요한 과전압을 크게 낮추는 것을 수학적으로 증명하였다. 

김석준 교수는 “기존 흑연 음극보다 우수한 성능을 가지면서 에너지 밀도를 향상시킨 연구 결과”라며, “마이크로 및 나노 구조 형상이 최적화된 다공성 복합체 음극을 대량 생산 공정이자 1-step 공정인 스크린 프린팅 기술로 제조했다는 점에서 큰 의의가 있다. 스크린 프린팅 기술은 현재 태양전지의 대량 생산에 사용되는 기술로, 이차전지의 대량 생산에도 즉시 적용 가능할 것으로 기대된다”고 강조했다. 

한국연구재단 개인기초연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구 결과는 재료공학 분야 국제 학술지 Advanced Functional Materials에 7월 22일자로 온라인 게재됐다. (논문명: Fabrication of a Porous Copper/Graphite/Zirconium Oxide Hybrid Anode via Screen Printing for Lithium-Ion Batteries)