경상국립대학교 융합기술공과대학 에너지공학과 정현영 교수팀이 3분 안에 충전과 2만 회 충·방전을 할 수 있는 금속산화물 기반 리튬 배터리 음극을 개발했다.

연구 성과는 나노 분야 학술지 <에이시에스 나노(ACS NANO)> 최신호에 '양자 크기의 금속산화물 에어로 필름 음극을 이용한 리튬이온 배터리 초고속 충전 및 장수명 실마리 발견(Unlocking Rapid Charging and Extended Lifetimes for Li-Ion Batteries Using Freestanding Quantum Conversion-Type Aerofilm Anode)'이라는 제목으로 실렸다.

현재 리튬이온 배터리를 80%까지 충전하는 데 15분 걸린다. 정 교수팀이 개발한 금속산화물 기반의 음극은 3분 안에 충전이 가능한 초고속 충전 특성을 보였다. 이는 휘발유 자동차에 5분 내 기름을 넣는 것보다 더 빠르게 충전할 수 있는 것으로, 리튬 이온 배터리의 충전 한계를 극복한 획기적인 성과로 평가받고 있다. 연구진이 개발한 금속산화물 음극은 2만 회까지 안정적으로 작동했으며, 이는 리튬이온 배터리가 1000회 충·방전이 가능한 것의 20배 향상된 수명이다.

지금까지 금속산화물 기반 음극은 상용 흑연전극의 한계를 극복하는 대안이었으나 충·방전 시 부피 팽창과 낮은 전기전도성 문제가 있었다. 정 교수팀은 금속산화물을 양자 크기로 제어하고 이를 탄소 구조체에 매우 균일하게 분포시켰으며 탄소-주석을 화학적으로 결합하는 원천 기술을 개발했다. 이로써 양자산화주석 입자와 탄소 사이에 전자가 더 빠르게 전달돼 고속 충전을 활용할 수 있다.

제1저자 김선식 석사과정생은 "전극을 매우 가벼운 형태로 경량화해 에너지 저장 소자 무게를 줄일 수 있었으며 특히 수명 안전성과 고용량 특성을 나타내기 때문에 드론, 전기자동차, 항공기 및 첨단기기 산업에 적용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

지도교수인 정 교수는 "이번 연구가 고속 충전 리튬이온 전지 연구에 대한 실마리를 제공하고 시장이 요구하는 전기 자동차 배터리로 가는 이정표 역할을 해 실용화로 이어지기를 바란다"고 밝혔다.

연구팀은 과학기술정보통신부 기초연구실 지원사업과, 교육부·한국연구재단 지역대학 우수과학자 지원사업 후속 연구의 지원을 받아 수행했다.