수명 길고 값싼 전기차 배터리용 음극 소재 개발

국내 연구진이 한 번 충전으로 더 멀리 갈 수 있는 전기자동차 배터리 개발의 실마리를 찾았다.

한국연구재단은 전남대 신소재공학부 박찬진 교수 연구팀이 장기간 사용해도 성능이 유지되고 에너지 저장용량도 큰 차세대 리튬이온전지용 게르마늄 음극 소재를 개발했다고 15일 밝혔다.

전기차 배터리 제조 등에 쓰이는 리튬이온전지용 음극소재로 실리콘(Si)이나 게르마늄(Ge)이 최근 주목받고 있다. 기존의 흑연(C)에 비해 더 많은 양의 리튬을 저장할 수 있고 고속 충·방전에 유리하기 때문이다.

하지만 급격한 부피 변화 때문에 충·방전을 반복할 때 성능이 떨어지는 단점이 있다. 특히 게르마늄은 실리콘보다 리튬 확산속도가 100배 빠르지만 제조단가가 높아 활용도에 한계가 있다는 지적이 많았다.

연구팀은 게르마늄 입자 표면에 탄소가 결합된 안정적인 구조의 리튬이온전지용 음극소재를 개발했다. 저가의 상용 이산화게르마늄(GeO₂) 용액과 산(acid)을 혼합해 열처리하는 비교적 간단한 공정이다.

이 게르마늄 음극 소재는 1천번의 충·방전 이후에도 초기 에너지 저장용량의 99%를 유지했고 기존 속도의 100배인 고속 충·방전에는 초기 용량의 70% 이상을 확보했다.

박찬진 교수는 "용량이 크고 오래 사용할 수 있는 게르마늄 음극소재 개발로 전기차나 모바일 기기, 에너지저장장치(ESS) 등에 최적화된 이차전기 개발의 전기가 마련됐다"고 자평했다.

이번 연구 성과는 지난달 24일 첨단재료 분야 국제학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스'(Advanced Functional Materials) 온라인판에 실렸다.