한국에너지기술연구원(원장 김종남, 이하 ‘에너지연’) 고온에너지전환연구실 김현욱 박사 연구진이 리튬 배터리의 용량과 안정성을 향상시키는 전극소재 기술을 개발했다.

이 기술은 산소 결함을 가진 LTO(lithium titanate oxide(Li4Ti5O12)): 리튬티타네이트산화물) 전극을 개발해 넓은 작동전압 범위와 함께 상용 LTO 배터리 대비 1.5배 높은 243m Ah/g의 용량을 가지며 반복적인 충방전에도 용량감소가 거의 일어나지 않는 우수한 특성을 보였다.

이번 연구결과는 재료과학기술 분야의 세계적인 학술지인 ‘응용 표면 과학(Applied Surface Science)’에 게재됐다.

전기자동차, 초소형 전자기기, UAM(도심항공모빌리티) 등 산업 분야의 폭발적 성장과 함께 리튬이온 배터리와 하이브리드 슈퍼커패시티 전극소재 개발이 활발하다. 전극소재로 주로 활용되고 있는 흑연은 높은 용량을 갖지만 충방전시 안정성과 낮은 출력 문제가 있다. 흑연의 대안으로 주목받는 LTO 전극은 상대적으로 에너지밀도는 낮으나 고속충전과 높은 출력이 가능하고, 발화 위험이 없는 가장 안전한 전극소재이다.

LTO 전극은 1-3V의 작동전압 범위를 가지며 반복적 충방전시에도 구조적으로 변화가 없어 높은 안정성을 가져 고율속* 배터리 소재로 활용되고 있다. 반면, 해당 작동전압에서는 175 mAh/g의 낮은 방전용량과 1.5 V의 높은 전압 평탄부(Voltage Plateau)를 가지고 있어 배터리의 에너지 밀도 향상에는 제한이 있다.

용량 상승을 위해 하단 작동 전압 범위를 1 V에서 0.01 V로 확장하면 LTO는 방전시 최대 5개의 리튬이온을 받아들여 최대 이론 방전 용량은 질량당 295 mAh까지 달성이 가능하다. 그러나 작동전압이 0.01 V 까지 내려가면 LTO 구조가 불안정해지고 용량이 급격히 감소하는 문제가 있다.

연구진은 문제 해결을 위해 리튬이온과 티타늄 전구체를 합성시켜 다공성 LTO를 만들고 이를 고온에서 열처리해 기공 내부에 있는 용매분자가 제거된, 산소 결함을 가진 고결정성의 LTO를 만들었다.

개발한 LTO 전극 재료로 반쪽전지의 코인셀을 제작하고 0.01 V에서 3 V까지의 작동전압에서 전기화학적 특성을 평가해 산소 결함을 가지고 있는 LTO가 상용 LTO에 비해 약 1.5배 높은 243 mAh/g의 방전 용량을 가지는 것을 확인했다. 또한 충방전 사이클에 따라서 상용 LTO는 급격한 방전 용량 감소가 일어나는 반면, 산소 결함이 있는 신규 LTO 전극 재료는 1C조건에서 100회의 싸이클에서도 초기 용량의 95%를 유지해 뛰어난 율속 특성을 보였다.

이 뛰어난 성능을 보이는 LTO 전극은 내부에 존재하는 산소 결함에 의해 형성된 전자가 LTO 내의 리튬-리튬 이온 간의 상호작용을 원활하게 만들어 리튬이온이 5개까지 들어가는 고용량 충방전 반응에서 산소 결함이 없는 상용 LTO보다 더 높은 구조적 안정성을 가짐을 계산과학을 통해 밝혀냈다.

또한 XPS, EPR, TEM 등의 물성 분석을 통해 개발한 LTO의 산소 결함을 실험적으로 규명했으며, 상용 LTO와 연구진이 개발한 LTO 전극 재료의 구조적 안정성을 0.01 V에서 3.0 V까지 실시간 엑스선 회절 방법을 통해 모니터링 한 결과, 상용 LTO는 충방전 과정에서 결정성이 현저히 떨어지는 반면에, 산소 결함이 있는 신규 LTO 전극 재료는 구조적 안정성을 유지함을 확인했다.

교신저자인 김현욱 박사는 “이번에 개발한 신규 LTO 전극 재료는 배터리 산업에 핵심적인 역할을 할 수 있는 원천소재로, 최대 이론용량에 근접한 산소 결함이 있는 신규 LTO 전극 재료는 기존 배터리 음극재로 사용되는 흑연처럼 낮은 전압 범위에서 구현할 수 있으며, 저온 환경에서도 안정적 구동이 가능해 특수 목적의 다양한 배터리 분야에 응용이 될 수 있다.”며, “온도 변화가 급격한 외부 환경에 장기간 노출되는 자동차, ESS, 자율독립전원, 정보통신기기 등에 사용될 수 있을 것으로 기대된다.”고 말했다.

연구진은 후속 연구로 개발된 신규 LTO 소재를 적용해 저온에서 작동 가능한 리튬이온전지 및 슈퍼레독스 커패시터를 개발 중이며, 이러한 저온형 전지는 향후 기존 배터리가 작동하지 못하는 극저온의 온도영역에서도 자유롭게 사용할 수 있는 고안정성 배터리로 활용 가능할 것으로 기대한다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 기본연구사업과 글로벌프론티어사업(파동에너지극한제어연구단: Center for Advanced Meta-Materials (CAMM))의 지원을 받아 수행됐다.