흑연대신 LTO 넣어 배터리 용량을 늘렸다

에너지기술연구원, 리튬 배터리 전극소재 개발
산소결함 가진  LTO 로 기존보다 1.5배 용량 증가
온도변화 급격한 환경에서도 성능 그대로 유지
자동차,  ESS , 자율독립전원,  IT 기기 등에 사용

한국에너지기술연구원 고온에너지전환연구실 김현욱 박사팀이 산소원자가 일부 빠진 리튬티타네이트산화물( LTO )로 하이브리드 커패시터 시작품을 만들었다. 에너지기술연구원 제공 [파이낸셜뉴스] 한국에너지기술연구원 고온에너지전환연구실 김현욱 박사팀이 리튬 배터리의 용량과 안정성을 향상시키는 전극소재 기술을 개발했다. 산소 결함을 가진 리튬티타네이트산화물( LTO ) 전극은 넓은 작동전압 범위와 함께 상용  LTO  배터리보다 1.5배 높은 243㎃ h/g 의 용량을 가지며, 배터리를 반복 사용해도 용량감소가 거의 일어나지 않는다. 이 소재를 사용한 배터리는 온도 변화가 급격한 외부 환경에 장기간 노출되는 자동차, 에너지저장장치( ESS ), 자율독립전원, 정보통신기기 등에 사용될 수 있다.

김현욱 박사는 22일 "리튬티타네이트산화물에는 12개의 산소원자가 있는데, 이중 일부를 제거하면 불안정할 줄 알았지만 오히려 충방전 과정에서 안정성과 용량이 늘어난 것을 발견했다"고 말했다.

연구진은 현재 이  LTO  소재를 이용해 저온에서 작동 가능한 리튬이온전지 및 슈퍼레독스 커패시터를 개발 중이다. 이 저온형 전지는 향후 기존 배터리가 작동하지 못하는 극저온의 온도영역에서도 자유롭게 사용할 수 있는 고안정성 배터리로 활용될 전망이다.

흑연을 사용하는 일반 배터리는 용량이 높지만 출력이 낮아 특정장비에 사용하는 배터리는  LTO  소재를 사용한다. 예를들어 전동공구에 쓰이는 배터리는 흑연 대신  LTO 를 넣어 출력을 높인다. 하지만  LTO  소재가 들어간 배터리는 용량을 높이면 내부 구조가 깨지는 현상이 발생한다. 연구진이 개발한  LTO  소재는 산소원자를 일부 제거해 그 현상을 최소화 한 것이다.

한국에너지기술연구원 고온에너지전환연구실 김현욱 박사팀이 산소원자가 일부 빠진 리튬티타네이트산화물( LTO )로 하이브리드 커패시터를 이용해 태양전지와 온도습도 센서를 연결해 작동시키고 있다. 에너지기술연구원 제공 연구진은 새로 개발한  LTO 로 반쪽전지의 코인셀을 제작하고 0.01V에서 3V까지의 작동전압에서 특성을 실험했다. 그결과 산소 결함을 가지고 있는  LTO 는 상용  LTO 에 비해 약 1.5배 높은 243㎃ h/g 의 용량을 가지는 있는 것으로 밝혀졌다. 또 상용  LTO 는 충방전을 거듭할수록 급격하게 용량이 줄어들었지만, 연구진이 개발한  LTO  전극 재료는 최악의 환경에서 100회 이상 충방전을 해도 초기 용량의 95%를 유지했다.

이  LTO  전극은 산소원자가 빠져 형성된 전자가  LTO  내 리튬-리튬 이온 간의 상호작용을 원활하게 만들었다. 즉 리튬이온이 5개까지 들어가는 고용량 충방전 반응에서 산소 결함이 없는 상용  LTO 보다 더 높은 구조적 안정성을 가졌다.

김현욱 박사는 "이번에 개발한 전극 재료는 저온 환경에서도 안정적으로 작동해 특수 목적의 다양한 배터리 분야에 응용이 될 수 있다"며 "배터리 산업에 핵심적인 역할을 할 수 있는 원천소재"라고 말했다.

한편, 연구진은 새로 개발한 배터리용 전극소재를 재료과학기술 분야의 세계적 학술지인 '응용 표면 과학( Applied   Surface   Science )'에 발표했다.
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