건국대 연구진, 고온 열처리 필요 없는 ‘고성능 리튬이온전지 소재’ 개발

건국대학교 조한익 교수(화공생명에너지공학부) 연구팀이 100℃ 이하의 저온 공정만으로 리튬이온전지 음극 소재인 이산화망간(MnO₂)의 성능과 안정성을 높이는 기술을 개발했다. 고온 열처리나 별도의 화학적 환원 공정 없이 소재 내부의 결함과 계면을 제어해 이론 용량에 근접한 리튬 저장 성능을 구현한 것이 특징이다. 이번 연구는 중앙대학교 박해선 교수 연구팀과 공동으로 수행했으며, 연구 결과는 에너지 저장 분야 국제학술지 ‘Journal of Energy Storage’(IF=10.7)에 지난 8월 28일 게재됐다.

리튬이온전지는 휴대 전자기기와 전기차 등에 널리 활용되는 핵심 에너지 저장 장치로, 더 많은 에너지를 저장하면서도 오랫동안 안정적으로 사용할 수 있는 전극 소재 개발이 중요하다. 이산화망간은 높은 이론 용량과 풍부한 자원, 친환경성 등의 장점으로 차세대 음극 소재로 주목받지만, 전기전도도가 낮고 리튬이온의 이동이 느린 데다 반복적인 충·방전 과정에서 구조가 불안정해지는 한계가 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 이산화망간과 그래핀옥사이드(Graphene Oxide, 이하 GO)를 결합한 복합 소재를 제작하고, GO 합성 과정에서 일어나는 저온 반응을 이용해 이산화망간 내부의 ‘산소 공공(oxygen vacancy)’을 제어하는 전략을 제시했다.

산소 공공은 소재 내부에서 산소 원자가 일부 빠져나간 빈자리 형태의 구조적 결함을 뜻한다. 적절하게 형성하면 전자와 이온이 소재 내부에서 보다 원활하게 이동하도록 해 전기화학적 반응을 촉진할 수 있다. 기존에는 이러한 산소 공공을 만들기 위해 주로 고온 열처리나 화학적 환원 공정을 사용했지만, 이를 위해서는 많은 에너지가 필요하고 소재의 구조가 손상될 가능성이 있었다.

연구팀은 별도의 고온 환원 과정 없이 저온 반응 조건을 조절하는 것만으로 이산화망간에 산소 공공을 효과적으로 형성했다. 그 결과 산소 공공이 형성된 이산화망간·그래핀옥사이드 복합체는 충전한 에너지를 다시 사용할 수 있는 가역 용량을 높이며 이론적으로 저장할 수 있는 최대 용량에 근접한 수준의 리튬 저장 성능을 나타냈다.

연구팀은 높은 저장 용량과 함께 반복적인 충·방전에도 성능을 유지할 수 있도록 추가적인 저온 열처리를 통해 이산화망간과 그래핀 사이의 계면 결합도 강화했다. 이를 통해 전극 구조의 안정성을 높이고 충·방전이 반복될 때 발생하는 소재의 구조적 열화를 효과적으로 억제하면서 높은 전기화학적 성능을 유지할 수 있음을 확인했다.

이번 연구는 100℃ 이하의 비교적 낮은 온도에서 소재 내부의 결함과 서로 다른 소재가 맞닿는 계면을 함께 제어해 높은 저장 용량과 안정성을 동시에 확보했다는 데 의미가 있다. 기존 고온 기반 공정과 비교해 에너지 소비를 줄이면서 소재의 기능을 향상할 수 있는 새로운 설계 전략을 제시했으며, 향후 이산화망간뿐 아니라 다양한 금속산화물·탄소 복합 소재에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구에는 건국대 조한익 교수가 참여하고, 이선영 박사과정생과 김명균 연구원(건국대 석사 졸업), 중앙대 신종훈 석사과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 중앙대 박해선 교수 연구팀이 공동으로 연구를 수행했다. 본 연구는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단(NRF)과 한국산업기술진흥원(KIAT)의 지원을 받아 수행됐다.

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