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힘세고 오래가는 리튬이온 배터리 개발
최장욱 교수
- 출력 향상으로 전기자동차 가속성능 획기적 향상 기대 -- 결정면 제어해 출력은 5배 이상, 수명은 3배, 고온 수명은 10배 이상 향상 -
나노기술을 이용해 고출력은 물론 수명이 훨씬 길어진 리튬이온 이차전지가 개발됐다.
우리 학교 EEWS 대학원 최장욱 교수 연구팀이 기존의 리튬이온 이차전지보다 출력은 5배 이상 높으면서도 수명은 3배 이상 길어진 리튬이온 이차전지 양극소재를 개발하는 데 성공했다.
그동안 배터리 성능이 모터의 출력을 따라가지 못해 내연기관 보다 가속 시 굼뜨는 단점이 있었던 기존 전기자동차에 이 배터리를 적용할 경우 가속성능이 획기적으로 개선될 것으로 관련업계는 기대하고 있다.
이와 함께, 차세대 지능형 전력망인 스마트 그리드와 전동 공구 등 고출력 배터리를 필요로 하는 분야에도 다양하게 활용될 수 있을 것으로 전망된다.
현재 가장 널리 상용화된 리튬이온 이차전지용 리튬-코발트계 양극소재는 비싼 가격, 강한 독성, 짧은 수명, 긴 충·방전 시간 등의 단점이 있다. 또 충·방전 시 발생하는 열에 취약, 대용량 전류밀도를 요구하는 전기자동차엔 적용이 어려웠다.
반면, 최장욱 교수 연구팀이 이번에 연구한 리튬-망간계 양극소재는 풍부한 원료, 저렴한 가격, 친환경성 등과 같은 장점을 갖고 있으며, 특히 고온 안정성이 뛰어나고, 높은 출력을 낼 수 있기 때문에 전기자동차용 전극 소재로 각광을 받고 있다.
순수 리튬망간계 양극소재는 수명이 평균 1~2년 정도에 불과할 정도로 매우 짧은 단점이 지적돼 왔다. 이는 망간이 전해액으로 녹아나오는 용출 현상에 기인하며, 이를 해결하기 위해 다양한 연구가 진행돼 왔지만 소재의 고유 결정구조로 인해 난제로 남아 있었다.
최 교수 연구팀은 망간산화물이 만들어지기 직전 나노소재를 합성하는 단계에서 반응온도를 조절해 결정면의 구조를 분석한 결과 220℃에서 망간이온의 용출이 억제되는 결정면과 리튬이온 이동을 원활하게 하는 면이 동시에 존재한다는 것을 발견했다.
각각의 결정면은 수명과 출력을 동시에 좋게 해 출력은 5배 이상 향상되면서 수명은 3배 이상 높아졌다. 게다가 기존에 가장 취약하다고 알려진 고온 수명 특성은 10배 이상 좋아지는 것을 확인했다.
최장욱 교수는 “배터리에 10 마이크로미터 수준의 덩어리 입자로 존재했던 리튬망간계 양극소재를 수백 나노 수준에서 결정면을 제어함으로써 출력과 수명을 모두 획기적으로 개선했다”며 “관련 기술에 대해 국내외 특허 출원을 완료했으며, 앞으로 기업과 연계해 2~3년 내 상용화할 계획”이라고 밝혔다.
이차전지의 세계적인 석학인 스탠포드 대학 추이 교수는 “이번 연구는 나노기술이 이차전지 분야를 획기적으로 발전시킬 수 있는 단적인 예를 보여준 사례”라고 평가했다.
한편, 최장욱 교수가 주도하고 김주성 연구원이 참여한 이번 연구 성과는 나노과학분야 세계적 권위지 ‘나노 레터스(Nano letters’)지 온라인판(11월 27일자)에 발표됐다.
그림1. 잘린 면을 갖는 스피넬 리튬망간산화물의 주사전자현미경 사진(좌)과 이 구조가 다른 구조에 비해 다른 구조와 비교 시 더 우수한 출력 특성을 보여 주는 배터리 데이터(우). 초록색이 잘린 면을 갖는 구조의 데이터이다.
그림2. 결정면 제어를 한 스피넬 리튬망간산화물의 개략도. 파란색 면 방향은 수명특성에 기여하며, 분홍색의 면은 출력 특성에 기여하도록 결정면이 디자인됐다.
2012.11.27 조회수 15117 -
김봉수 교수팀, 초탄성 무결점 금속나노선 개발
화학과 김봉수 교수팀은 차세대 3차원 메모리 소자의 대량생산이 가능한 새로운 초탄성․무결점 금속 나노선(nanowire)을 개발했다. 이는 촉매없이 금속 나노선을 기판위에 손쉽게, 원하는 형태로 성장(epitaxial growth)시킬 수 있는 원천기술이다.
교육과학기술부(장관 안병만)는「21세기 프론티어연구개발사업」나노소재기술개발사업단(단장 서상희 박사)의 지원을 받은 KAIST 김봉수 교수 연구팀이 초탄성․무결점의 단결정 금속 나노선을 개발 하는데 성공했다고 18일 밝혔다.
지난 2004년 MIT 선정 10대 유망기술에 선정된 바 있는 나노선(nanowire)은 단면 지름이 수십에서 수 나노미터(1nm = 10억분의 1m) 정도인 극미세선으로, 트랜지스터, 메모리, 센서 등 첨단 전기전자 소자를 개발하는데 핵심적인 미래기술이다.
기존의 반도체 나노선은 정렬된 성장(epitaxial growth)이 가능했으나 금, 팔라듐 등 금속 나노선의 경우에는 적절한 촉매가 없어서 이러한 정렬된 성장을 실현하기 어려웠다.
KAIST 김봉수 교수 연구팀은 증기의 양, 온도, 압력 등을 최적으로 조절함으로써, 촉매 없이 금, 팔라듐, 및 금팔라듐 합금 나노선을 원하는 대로 방향성 있게 성장시키는 데 세계 최초로 성공하였다. 또한, 어떠한 물질이라도 기판 위에 씨앗 결정을 형성하기만 하면 잘 정렬된 나노선으로 성장시킬 수 있다는 사실을 밝혔다.
※ 질병을 일으키는 병원균의 DNA 농도에 따라 금나노선에 부착되는 금입자의 갯수가 달라짐(이 금입자의 갯수로 부터 병원균의 갯수를 검출) (스케일바 : 20 nm)
KAIST 화학과 김봉수 교수는 “이 기술을 한 단계 더 발전시켜 기판 위에 씨앗을 원하는 위치에 놓을 수 있다면, 나노선의 위치 및 방향을 마음대로 제어할 수 있게 되기 때문에, 차세대 3차원 메모리 소자의 대량생산이 가능해져 세계 메모리 산업에서 선도적 위치를 차지할 수 있을 것으로 기대된다.”고 밝혔다.
한편 이번 연구결과는 나노 분야의 세계적 권위지인 나노레터스(Nano Letters)지 1월 6일자 온라인 속보판에 소개되었으며, 현재 미국 및 독일 등에 특허 출원중이다.
[그림 1] 사파이어 기판 위에 수직으로 성장한 완전 단결정 금 나노선
이번에 개발된 기술을 통해 성장된 나노선은 초탄성(超彈性)․무결점 뿐만 아니라 완벽히 깨끗한 표면을 가지고 있다는 특징이 있어, 나노크기의 탄성에너지 저장장치, 나노안테나, 질병진단용 메디컬 센서 등 새로운 기술분야에 다양하게 응용가능하다.
[그림 2] 금 나노선을 이용한 질병진단 센서 (예)
2010.01.18 조회수 21566