신소재공학과 김도경 교수팀이 기존 리튬 이온 2차 전지(이하 리튬 전지)의 양극 물질에 비해 100배 이상의 출력을 내는 ‘리튬 망간산화물 미세나노선’을 개발했다. 이 연구 결과는 나노 기술 분야의 학술지인 ‘나노 레터스(Nano Lett-ers)’ 온라인 판에 게재되었다.

다양한 요소로 구성된 리튬 전지

리튬 전지는 리튬 이온이 전지 내에서 이동할 수 있도록 하는 전해액, 양극과 음극의 직접 접촉을 막는 격리막, 리튬함유 산화물로 이루어진 양극과 탄소재료로 이루어진 음극 등으로 구성된다. 이 전지는 전압 차에 의해 리튬 이온이 양극 물질에서 벗어나 음극 물질과 결합할 때 충전되며, 이와 반대되는 상황에서 방전된다.

기존 리튬 전지는 사용범위에 한계 있어

리튬 전지 속 리튬 이온은 기존의 양극 물질을 출입하는 속도가 느려 전지의 출력이 낮고 충전, 방전하는 데 시간이 오래 걸렸다. 기존 양극 물질의 표면적이 많은 수의 리튬 이온을 한꺼번에 통과시킬 만큼 넓지 않아 리튬 이온 출입에 병목현상이 생기기 때문이다. 따라서 리튬 전지는 노트북처럼 전압이 지속적으로 필요한 곳에 주로 사용되었으며 전기 자동차처럼 짧은 시간에 높은 출력을 필요로 하는 곳에는 사용할 수 없었다.

기존의 리튬 전지에서는 이를 높은 출력으로 수십 번 충전, 방전시켰을 때, 양극 물질의 구조가 뒤틀리는 현상도 발생했다. 이 때문에 전지로서의 특성을 잃어버려 더는 사용할 수 없다는 한계가 있었다.

또한, 기존 양극 물질에 대표적으로 사용되는 코발트산 리튬은 지구상에 얼마 존재하지 않아 값이 비싸다. 코발트산 리튬은 중금속이므로 이를 처리할 때 환경을 오염시킨다는 문제도 있다.

수열합성법으로 미세 나노선을 합성해

김 교수팀은 수열합성법으로 ‘리튬 망간산화물 나노선’을 합성해 기존의 한계점을 극복했다. 수열합성법이란 반응물을 물에 녹이고 열을 가해 원하는 물질을 얻는 것을 말한다. 김 교수팀은 선형으로 성장하는 망간산화물을 이용해 미세 나노선을 합성했다. 그 후, 수산화리튬을 미세 나노선에 분산시키고 열처리해 ‘리튬 망간산화물 나노선’을 얻는 데 성공했다.

높은 출력 밀도를 지닌 새로운 양극 물질

수 마이크로미터 크기를 지닌 기존 양극 물질과 달리, 미세 나노선의 지름은 10nm에 불과하다. 따라서 새로운 양극 물질의 표면적이 기존보다 획기적으로 늘어나, 리튬 이온이 양극 물질을 출입하는 것이 더욱 쉬워졌다. 그 결과, 기존에 비해 100배 이상의 출력 밀도를 낼 수 있게 되었다.

나노선으로 뒤틀림 현상 극복

이번에 개발한 나노선으로 이루어진 양극 물질에서는 뒤틀림 현상이 잘 발생하지 않음을 확인했다. 또한, 리튬 망간산화물은 친환경적인 물질이므로, 리튬 전지를 폐기할 때 발생하는 환경오염 문제를 해결할 수 있게 되었다.

전기자동차 개발 가속화될 전망

이번 나노선 개발은 전기자동차 개발을 가속화할 전망이다. 기존 전기자동차 개발은 리튬 전지와 내연기관을 함께 사용하는 하이브리드카에 초점이 맞춰져 있었다. 그러나 이 나노선을 이용하면 전지만을 사용해 전기자동차를 개발할 수 있다.

이에 김 교수는 “미세 나노선을 산업적으로 응용하기 위해선 이를 대량생산할 공정이 필요하다”라며 “기존의 공정에서는 아직 나노 입자를 다룰 수 없어 새로운 공정을 개발해야 한다”라며 앞으로의 연구 방향을 제시했다.