건국대, 100℃ 이하 저온 공정으로 리튬전지 음극 성능 높였다

건국대학교는 조한익 화공생명에너지공학부 교수 연구팀이 100℃ 이하의 저온 공정만으로 리튬이온전지 음극 소재인 이산화망간(MnO₂)의 성능과 안정성을 높이는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다. 고온 열처리나 별도의 화학적 환원 공정 없이 소재 내부의 결함과 계면을 제어해 이론 용량에 근접한 리튬 저장 성능을 구현한 것이 특징이다.

연구는 중앙대학교 박해선 교수 연구팀과 공동으로 수행했으며, 결과는 에너지 저장 분야 국제학술지 '저널 오브 에너지 스토리지(Journal of Energy Storage)'에 지난 8월 28일 게재됐다.

저온 반응으로 '산소 공공' 만들어 전자·이온 이동 촉진

이산화망간은 이론 용량이 높고 자원이 풍부해 차세대 음극 소재로 주목받지만, 전기전도도가 낮고 리튬이온의 이동이 느린 데다 충·방전을 반복하면 구조가 불안정해지는 한계가 있었다.

연구팀은 이산화망간과 그래핀옥사이드(GO)를 결합한 복합 소재를 만들면서, GO 합성 과정에서 일어나는 저온 반응을 이용해 이산화망간 내부의 산소 공공(oxygen vacancy·산소 원자가 일부 빠져나간 빈자리 형태의 구조적 결함)을 제어하는 전략을 제시했다. 산소 공공을 적절히 형성하면 전자와 이온이 소재 내부에서 원활하게 이동해 전기화학 반응이 촉진된다. 기존에는 산소 공공을 만들기 위해 주로 고온 열처리나 화학적 환원 공정을 써야 해 에너지가 많이 들고 소재 구조가 손상될 우려가 있었다.

연구팀이 별도의 고온 환원 과정 없이 저온 반응 조건만 조절해 산소 공공을 형성한 결과, 복합 소재는 충전한 에너지를 다시 쓸 수 있는 가역 용량이 높아져 이론상 최대 용량에 근접한 리튬 저장 성능을 나타냈다.

계면 결합 강화로 반복 충·방전에도 안정

연구팀은 추가 저온 열처리로 이산화망간과 그래핀이 맞닿는 계면의 결합도 강화했다. 이를 통해 전극 구조의 안정성을 높이고, 충·방전이 반복될 때 생기는 소재의 구조적 열화를 억제하면서 높은 전기화학 성능을 유지할 수 있음을 확인했다.

이번 연구는 기존 고온 기반 공정에 비해 에너지 소비를 줄이면서 소재 기능을 높이는 새로운 설계 전략을 제시한 것으로, 이산화망간뿐 아니라 다양한 금속산화물·탄소 복합 소재에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

연구에는 이선영 박사과정생과 김명균 연구원(건국대 석사 졸업), 중앙대 신종훈 석사과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단(NRF)과 한국산업기술진흥원(KIAT)의 지원을 받아 수행됐다.

자료: 건국대학교