▲ (왼쪽부터) KU-KIST융합대학원 현종찬 박사과정(제1저자), 융합에너지공학과 및 KU-KIST융합대학원 윤영수 교수(교신저자)

고려대학교 공과대학(학장 이해근) 융합에너지공학과 및 KU-KIST융합대학원(원장 권익찬) 윤영수 교수 연구팀은 현재 사용되고 있는 리튬이온전지용 흑연계 음극 소재의 이론용량보다 50% 이상 높은 실험용량을 실제로 구현할 수 있는 리튬이온전지용 하드카본 음극소재를 개발했다.

흑연 음극소재의 단순한 리튬 이온 저장 특성과는 달리, 하드카본 음극 소재의 이온 저장 거동은 매우 복잡한 것으로 알려져 있다. 하드카본의 전기화학적 특성을 알려주는 용량-전압 곡선은 상대적으로 높은 전압에서 나타나는 슬로핑영역과 금속 환원 전위 근처의 낮은 전압 범위에서 나타나는 평탄전위 영역으로 구성되어 있다.

슬로핑 영역 및 평탄전위가 나타나는 하드카본의 이온 저장 사이트와 메커니즘에 대한 이해도가 매우 낮고, 상업화되어 사용되고 있는 하드카본 소재의 전기화학적 용량-전압 곡선에서 흑연계 음극 소재보다 낮은 용량이 발현되어 흑연과의 경쟁에서 밀린 소재 정도로 학계와 산업계에서 인식되고 있었다.

▲ 하드카본 음극소재의 리튬 이온 및 나트륨 이온 저장 특성에 관한 모식도

▲ 전구체별 하드카본의 열처리 온도에 따른 리튬 및 나트륨 평탄전위 영역 이론용량 및 실험용량을 보여주는 이미지

이번 연구에서는 흑연계 음극소재가 탑재된 리튬이온전지가 상업화에 성공한 지난 90년 말부터, 연구가 거의 진행되고 있지 않은 하드카본 음극소재의 리튬 이온 저장 특성을 깊이 있게 관찰하여 하드카본 소재의 저전압 평탄전위 구간의 이론용량이 현재 사용되고 있는 흑연계 음극 소재 이론용량(약 372 mA h g-1)의 2배를 넘어서며 실제로 약 1.5배에 해당하는 용량이 본 연구진에 의해서 구현되었다.

이와 더불어 리튬이온전지를 대체할 차세대 이차전지로 주목받고 있는 나트륨이온전지용 음극소재로 하드카본을 사용할 경우에도 현재의 그래파이트 음극 소재의 이론용량을 넘어서는 용량이 실제로 구현되는 것을 확인하였다.

윤 교수 연구팀은 “이번 연구를 통해 현재 사용되고 있는 리튬/실리콘 복합 음극보다 높은 용량을 구현할 수 있는 하드카본 음극소재가 리튬이온전지와 차세대 나트륨 이온전지의 음극소재로 활용될 수 있는 길이 열릴 수 있을 것으로 기대된다”라고 전했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단(표준탄소모델 설계 기초연구실 사업, 중견연구사업)과 KU-KIST 사업의 지원을 받아 수행하였으며, 재료분야 최상위 학술지인 어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)에 2023년 1월 10일 자로 온라인 게재됐다.    /공과대학신문

* 논문명: Revisiting lithium- and sodium-ion storage in hard carbon anode

* 저널명: Advanced Materials

* 저자: 김호성 (공동1저자/인하대학교), 현종찬(공동1저자/고려대학교), 김도훈(공동저자/서울대학교), 곽진환(공동저자/한국과학기술연구원), 이진배(공동저자/한국기초과학지원연구원), 문주하(공동저자/경상대학교), 최재원(공동저자/경상대학교), 임희대(공동저자/한국과학기술연구원), 양승재(공동저자/인하대학교), 진형민(공동저자/충남대학교), 안동준(공동저자/고려대학교), 강기석(공동저자/서울대학교), 진형준(교신저자/인하대학교), 임형규(교신저자/강원대학교), 윤영수(교신저자/고려대학교)