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IBS, 나노입자로 힘 세고 오래가는 배터리 만든다

이산화티타늄, 리튬이온전지 성능한계 극복···30%이상 성능 향상
IBS(기초과학연구원·원장 김두철)는 나노입자 연구단이 기존 배터리의 한계를 극복하고 용량을 30% 이상 향상 시킨 차세대 고용량 배터리를 개발했다고 10일 밝혔다.

휴대용 전자기기와 전기자동차 등의 수요 증가로 고용량 배터리의 연구개발이 활발하다. 현재 대부분의 전자기기는 리튬이온전지를 배터리로 사용한다. 리튬이온전지는 배터리를 사용할 땐 음극에 포함된 리튬이온이 양극으로 이동해 양극 속으로 삽입되는 원리로 작동한다.

연구단은 나노미터 크기의 이산화티타늄 나노입자를 이용해 기존 배터리의 용량 한계를 극복할 음극 소재로 최적화된 구조를 발견했다. 이산화티타늄 입자의 크기와 구조를 바꿔가며 다양한 구조를 합성한 결과 합성된 각종 나노 구조의 리튬이온수송 과정을 분석해 최적의 구조를 찾았다.

나노미터 크기의 이산화티타늄 입자가 집합체로 모여 속이 빈 구 형태의 2차 입자를 형성할 때 가장 안정적이면서 효율적으로 리튬을 저장한다는 사실을 규명했다. 속이 빈 구 형태는 나노 이산화티타튬 구조가 넓은 표면에서 일어나는 리튬과의 화학적 반응은 최소화하면서 리튬이 내부로 삽입되는 반응의 비중을 키우기 유리하다. 결과적으로 화학적으로 안정적이면서 높은 용량을 낼 수 있다.

개발된 배터리는 리튬이온 저장성능을 30% 이상 향상시킬 수 있으며 500회 이상 충‧방전을 반복해도 고용량, 고출력 성능을 유지했다. 속 빈 구 형태의 나노구조가 초과로 저장된 리튬을 효과적으로 안정화하기 때문에 안정성을 오래 유지할 수 있는 것으로 나타났다. 또 개발된 배터리가 폭발 등 안전문제에서 자유로운 소재를 제작할 수 있는 방안을 제시한 것이라고 설명했다.

성영은 나노입자 부연구단장은 "나노입자의 성능한계와 안정성, 안전문제를 모두 해결할 수 있는 새로운 방향을 제시한 것"이라며 "이번 연구에서 개발된 구조는 이산화티타늄뿐만 아니라 모든 나노입자에 적용 가능하다"고 언급했다. 이어 그는 "나노입자를 활용해 배터리 성능을 향상시킬 수 있는 새로운 길이 열린 것"이라고 평가했다.

이산화티타늄 나노입자의 리튬저장 메커니즘. <사진=IBS 제공>이산화티타늄 나노입자의 리튬저장 메커니즘. <사진=IBS 제공>
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