하드카본 음극 소재의 리튬 및 나트륨 이온 저장 거동 재해석

윤영수 교수팀 연구결과, Advanced Materials 게재돼

▲ 왼쪽부터 KU-KIST융합대학원 현종찬 박사 과정, 윤영수 교수

KU-KIST 윤영수 교수팀이 리튬이온전지용 그래파이트 음극 소재의 이론용량 보다 2배 이상 높은 하드카본 음극소재의 이론 용량을 최초로 확인했다. 연구진은 이를 통해 현재 사용되고 있는 리튬/실리콘 복합 음극 보다 높은 용량을 구현할 수 있는 하드카본 음극소재의 상용화 가능성을 제시했다.

고려대 KU-KIST 융합대학원의 현종찬 박사과정생이 윤영수 교수의 지도하에 진행한 이번 실험은 강원대 임형규 교수 연구팀, 인하대 진형준 교수 연구팀, 한국과학기술연구원 임희대 박사 연구팀 및 서울대 강기석 교수 연구팀의 도움을 받아 진행됐다.
 

연구 결과는 “Revisiting lithium- and sodium-ion storage in hard carbon anode”이란 제목으로 지난 1월 10일에 Advanced Materials에 온라인 게재됐다.

▲ 하드카본 음극소재의 리튬 이온 및 나트륨 이온 저장 특성을 보여주는 이미지

그래파이트 음극소재의 단순한 리튬 이온 저장 특성과는 달리 하드카본 음극 소재의 이온 저장 거동은 매우 복잡한 것으로 알려져 있다. 하드카본의 전기화학적 특성을 알려주는 용량-전압 곡선은 상대적으로 높은 전압에서 나타나는 슬로핑영역과 금속 환원 전위 근처의 낮은 전압 범위에서 나타나는 평탄전위 영역으로 구성되어 있다. 그러나 슬로핑 영역 및 평탄전위가 나타나는 이온 저장 사이트와 메커니즘에 대한 이해도가 매우 낮고 상업화 되어 사용되고 있는 하드카본 소재의 전기화학적 용량-전압 곡선에서 그래파이트 보다 낮은 용량이 발현되어 그래파이트와의 경쟁에서 밀린 B급 소재 정도로 학계와 산업계에서 인식되고 있었다. 

연구진은 그래파이트 음극소재가 탑재된 리튬이온전지가 상업화에 성공한 지난 90년 말부터 연구가 거의 진행되고 있지 않은 하드카본 음극소재의 리튬 이온 저장 특성을 깊이 있게 관찰하여 이온 저장 메커니즘을 이해하고자 노력했으며 이를 통해 매우 놀라운 결과를 얻게됐다. 하드카본 소재의 저전압 평탄전위 구간의 이론용량이 현재 사용되고 있는 그래파이트 음극 소재의 이론용량(약 372 mA h g-1)의 2배를 넘어서며 실재로 약 1.5배에 해당하는 용량이 본 연구진에 의해서 구현됐다. 이와 더불어 리튬이온전지를 대체할 차세대 이차전지로 주목받고 있는 나트륨이온전지용 음극소재로 하드카본을 사용할 경우에도 현재의 그래파이트 음극 소재의 이론용량을 넘어서는 용량이 실재로 구현되는 것을 관찰했다.

따라서 이번 연구 결과를 통해 하드카본 음극소재가 리튬이온전지와 차세대 나트륨이온전지의 음극소재로 활용될 수 있는 길이 열릴 수 있을 것으로 기대된다.