광운대 심준섭 교수, '그래핀 필름' 제작해 고성능 리튬이온 배터리 음극재 개발

광운대학교는 전자융합공학과 심준섭 교수 연구진이 그래핀(탄소 원자들이 모여 2차원 평면을 이루는 신소재)을 활용해 혁신적인 리튬 이온 배터리 음극 소재를 개발했다고 24일 밝혔다.

이 연구는 폴리머를 지지체로 사용해 그래핀 필름을 제작하고 이를 음극재로 이용해 리튬이온 배터리를 제작했다. 개발된 그래핀 음극재는 그래핀 구조를 안정적으로 유지해 배터리 수명이 길고, 전자와 이온의 수직 이동 경로를 제공해 리튬 이온 배터리의 전반적인 성능을 향상하는 중요한 역할을 한다. 이 기술은 비용 효율적이며 대량 생산할 수 있어 차세대 배터리 소재로 기대된다.

최근 전기자동차와 휴대기기의 수요가 급증하며 고성능 배터리에 대한 필요성이 더욱 커지고 있다. 그래핀 음극재는 높은 전자 이동성과 이온 전도성을 갖는다. 하지만 그래핀을 필름 형태로 제작하면 필름 구조를 유지하지 못하고 쉽게 부서진다. 이 때문에 그래핀을 필름 형태로 대량생산해 리튬이온 배터리의 음극재로 적용하기가 어려웠다. 그래핀이 쉽게 부서지면 배터리 수명이 짧아지는 문제점이 있었다.

심 교수 연구팀은 이런 문제점을 해결하기 위해 육각형 폴리머 구조의 지지체를 사용해 그래핀이 견고하게 형성된 그래핀 폴리머 필름을 개발했다. 이 필름은 수직 방향으로 높은 전자 이동성과 이온 전도성을 갖기 때문에 배터리 효율이 높으면서도 긴 수명을 갖는다. 또한 바인더가 필요 없는 자립형 전극이어서 비용 효율적이고 배터리 무게도 감소시켰다.

이번에 개발된 그래핀 폴리머 필름은 배터리 음극 소재로서 581㎃h/g의 용량을 기록하며, 400회 이상의 충·방전 실험에서 80%의 용량을 유지하는 성과를 달성했다.

심 교수는 "꿈의 소자로 불리는 그래핀은 전도성, 기계적 강도, 열전도성 등 다양한 특성이 있어 차세대 전자기기와 에너지저장장치에 유망한 소재"라며 "이번에 그래핀 폴리머 필름 기술로 제작한 그래핀 음극 소재는 이런 특성을 더욱 극대화해 리튬 이온 배터리의 성능을 한층 높일 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구논문은 전자재료 분야의 세계적 학술지 '스몰 메소즈'에 실렸다.

이번 연구는 초격차 스타트업 1000+ 프로젝트(DIPS 1000+)와 광운대 교내연구비 지원으로 수행됐다.