한국재료연구원(원장 이정환, 재료연)은 이지훈 그린수소재료연구실 연구팀이 최인석 서울대 교수, 신중호 강릉원주대 교수 연구팀과 공동으로 ‘3차원 다공성 탄소계 집전체’ 소재를 개발했다고 7일 밝혔다. 이를 이차전지와 슈퍼커패시터에 적용하면 에너지 밀도와 수명 특성을 동시에 향상시킬 수 있다.
집전체는 박막 전극에서 무게와 부피의 상당 부분을 차지한다. 이로 인해 에너지 밀도 향상과 저장장치 경량화에 제한 요소로 작용했다. 반복적 충방전 과정에서 활물질이 분리되거나 전지 내 수분과 공기 유입으로 발생하는 금속 집전체 부식 문제는 전지 수명 단축의 주요 원인이다.
공동 연구팀은 다양한 환경에서도 안정적인 탄소 소재에 부유 촉매 화학 기상 증착법을 적용, 3차원 다공성 구조의 탄소계 집전체를 제작하고, 여기에 활물질 코팅 방식을 적용해 고효율·고수명 전극을 만드는 데 성공했다. 전해질, 작동 전압 등 환경변화에 따라 집전체 소재를 변경 적용해야 했던 기존 제약 요소를 극복한 기술이다.
다공성 구조는 리튬 이온의 이동을 원활하게 해 보다 빠른 충방전과 에너지 밀도 향상, 넓은 기공을 통한 용량 증가가 가능하다.
기존 2차원 평면 구조의 금속 포일 집전체는 활물질과의 계면 접촉 면적이 제한적이었지만, 연구팀이 개발한 3차원 탄소계 집전체는 해당 면적을 극대화해 안정적 계면을 형성하고 장치 수명도 개선됐다.
이지훈 선임연구원은 “소재의 본질적 부분에서 기인한 문제점을 해결했다. 탄소계 기반 집전체의 상용화 진입 장벽을 낮추고 소형에서 중대형 에너지 저장장치까지 아우른, 집전체 활용 가치를 높일 것으로 예상한다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 국가과학기술연구회 ‘창의형 융합연구사업’, 한국연구재단 ‘나노 및 소재 기술개발 이공분야 기초 연구사업’, 서울대 ‘창의선도 신진연구자 지원사업’, ‘지자체-대학 협력기반 지역혁신사업(RIS)’의 지원을 받았다.
부산=임동식 기자 dslim@etnews.com
