Research

[POSTECH-한국에너지기술연구원, 나노 주석 입자와 하드카본으로 고출력·고에너지밀도 전극 구현]

전기차에서부터 대규모 에너지저장장치(ESS)까지 빠른 충전과 높은 에너지 효율을 동시에 만족시키는 배터리 기술에 대한 수요가 갈수록 커지고 있다. 이에 POSTECH과 한국에너지기술연구원 공동 연구팀이 그 해답이 될 수 있는 차세대 배터리 음극 소재를 개발했다.

리튬이온전지에서 흔히 사용되는 흑연(graphite) 음극은 내구성은 뛰어나지만, 낮은 이론 용량과 느린 충·방전 속도가 한계였다. 이를 극복하기 위해 연구팀은 ‘하드카본(hard carbon)’과 ‘주석’을 결합한 새로운 전극 설계 전략을 제안했다. 

‘하드카본’은 탄소 원자들이 무질서하게 얽힌 구조로 내부에 크고 작은 통로가 많아 리튬이나 나트륨 이온의 이동이 쉬워 빠른 충전과 높은 에너지 저장이 가능하며, 구조적으로도 단단해 반복적인 충·방전에도 잘 견딘다. 하지만 주석과 결합할 때는 문제가 있었다. 주석 입자는 작을수록 충·방전 중 발생하는 부피 팽창이 줄어 안정성이 높아지지만, 주석의 낮은 녹는점(약 230°C) 탓에 매우 작은 입자로 만드는 것이 기술적으로 어려웠다. 

이번 연구에서 연구팀은 솔-젤(sol–gel) 공정과 열 환원 과정을 도입해, 수 나노미터 크기의 주석 입자를 하드카본 내부에 균일하게 분산시키는 데 성공했다. 

이 복합 구조의 특징은 단순한 물리적 결합을 넘어선 기능적 시너지다. 주석 나노입자는 활물질로 작용함과 동시에 하드카본 결정화를 유도하는 ‘촉매’ 역할도 수행한다. 덕분에 낮은 온도에서도 고결정질 카본이 형성되며, 충·방전 과정에서는 리튬 이온과의 반응을 통해 Sn–O(주석-산소) 결합을 재형성하여 배터리 용량을 더욱 높이는 데 기여한다.

개발된 전극은 리튬이온전지에서 20분 급속 충전 조건에서도 1,500사이클 이상 안정적인 성능을 유지하며, 기존 흑연 음극 대비 약 1.5배 높은 부피 에너지 밀도를 기록했다. 고출력과 고에너지 특성을 동시에 구현하며, 수명 안정성까지 확보한 셈이다.

특히, 이번 전극은 리튬이온전지뿐만 아니라 나트륨이온전지에서도 우수한 성능을 보였다. 일반적으로 나트륨 이온은 흑연이나 실리콘과의 전기화학 반응성이 낮아 기존 음극 소재와는 잘 반응하지 않지만, 하드카본-주석 나노 복합 구조는 나트륨 환경에서도 높은 안정성과 빠른 반응성을 유지해 다양한 전지 시스템에의 적용 가능성을 입증했다.

박수진 교수는 "차세대 고성능 배터리 개발의 새로운 이정표를 제시했다“라며, ”전기차, 대규모 에너지저장시스템 등 응용 분야에서 활용이 기대된다“라는 말을 전했다. 한국에너지기술연구원 송규진 박사는 “고출력·고안정성·고에너지밀도를 동시에 구현 가능한 복합 전극개발과 나트륨이온전지로의 확장성은 이차전지 음극 시장에 획기적인 전환점이 될 것”이라고 강조했다.

한편, 이번 연구는 POSTECH 화학과 박수진 교수, 첨단재료과학부 최성호 박사, 화학과 한동엽 박사 연구팀은 한국에너지기술연구원 송규진 박사 연구팀과 함께 진행했으며, 나노과학 분야 국제 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’에 최근 게재됐다. 또한, 산업통상자원부 및 과학기술정보통신부 사업 지원을 받아 수행되었다. 

DOI: https://doi.org/10.1021/acsnano.5c00528