광운대 심준섭 교수팀, 그래핀 단점 보완한 장수명·고용량 리튬이온배터리 기술 개발

광운대학교는 전자융합공학과 심준섭 교수 연구팀이 고용량, 장수명 특성을 동시에 갖춘 리튬 이온 배터리 음극 소재를 개발했다고 2일 밝혔다. 차세대 배터리 기술의 새로운 가능성을 제시했다는 평가다.

현재 리튬 이온 배터리 산업에서 그래핀은 고속 충전과 장수명 특성으로 주목받고 있다. 하지만 높은 표면적으로 인한 에너지 밀도 저하, 충·방전 초기 비가역적 용량 손실, 소재의 응집 문제로 인해 상용화에는 한계가 존재해 왔다.

연구팀은 3차원 그래핀 구조를 통해 이런 한계를 극복했다. 연구팀은 그래핀(Graphene) 소재의 기계적 강도와 전기 전도성을 극대화하기 위해 환원 그래핀(rGO)과 레이저 유도 그래핀(LIG)을 혼합한 고밀도 3차원 구조의 그래핀 시트를 개발했다. 이를 통해 충·방전 과정에서 전극 변형과 손상을 효과적으로 억제하면서도 높은 배터리 용량을 유지할 수 있는 새로운 음극 소재를 구현했다.

개발된 그래핀 음극은 실험 결과 300회 충·방전 후에도 635mAh/g의 용량을 유지했다. 쿨롱 효율(Coulombic efficiency, 충전용량 대비 방전용량 비율)은 99%, 초기 용량의 91%를 달성해 기존 상용 음극재보다 뛰어난 성능을 입증했다. 특히 NCM811 양극과 결합한 풀 셀에서도 100회 충·방전 후 93% 용량 유지율을 보여 실제 배터리 셀 적용 가능성을 확인했다.

이번 연구는 전기차용 배터리를 포함한 다양한 에너지 저장장치에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

심 교수는 "그래핀은 고속 충전이 가능하면서도 수명이 긴 배터리 개발에 핵심적인 소재"라며 "이번에 개발한 3차원 구조의 그래핀 음극은 기존 문제를 해결하며 실사용 환경에서도 높은 성능을 유지할 가능성을 보여준다"고 말했다.

이번 연구 성과는 에너지 저장장치 분야의 세계적 학술지 '전원 저널(Journal of Power Sources)'에 최근 실렸다.

이번 연구는 중소벤처기업부가 주관하는 초격차 스타트업 1000+ 프로젝트(DIPS 1000+)와 광운대 교내연구비 지원을 받아 이뤄졌다.