GIST( 광주과학기술원 ) 보도자료 http://www.gist.ac.kr 보도일시배포즉시보도부탁드립니다. 보도자료 담당 대외협력팀김미연팀장 062-715-2020 / 010-5302-3620 대외협력팀이나영행정원 062-715-2024 / 010-2008-2809 자료문의신소재공학부엄광섭교수 062-715-2313 전기차주행거리 3 배늘릴리튬이온배터리개발 - 황- 금속화합물양극과실리콘음극을이용한배터리개발 에너지저장용량현리튬이온전지대비최대 6배및에너지밀도 3배향상, 하루에 1회충전시 7년동안성능감소없이사용가능 - GIST 신소재공학부엄광섭교수등공동연구팀, 연구성과 ACS Nano 에게재 GIST( 지스트, 총장문승현 ) 신소재공학부엄광섭교수팀과건국대조한익교 수, 美조지아공대등공동연구팀이현재사용되고있는리튬이온배터리보 다용량이최대 3 배향상된새로운리튬이온배터리를개발하는데성공했다. 이배터리가상용화되면하루에 1 회충전시 7 년동안큰성능감소없이사 용가능할것으로기대된다. 현재상용리튬이온배터리의전극재료로써그라파이트 ( 음극 ) 와리튬금속 산화물 ( 양극 ) 이사용되고있다. 두재료모두에너지저장용량이상대적으 로낮으며현재기술로는이론용량 * 에거의도달해, 전기자동차의전기저 장용량을증가시키는데한계에직면하였다. 전기자동차의주행거리를늘리기위해서는많은양의배터리를장착하면되지 만, 차체무게가증가하고자동차연비가감소하기때문에배터리추가장착만 으로는주행거리를늘리는데한계가있다. 따라서무게및부피당전기저장 용량이큰새로운전극재료를이용해신규배터리개발이필요한상황이다. - 1 -
연구팀은리튬이온배터리의새로운전극재료로써황 - 금속 ( 몰리브데늄 ) 화 합물에주목하고이를이용해현재의리튬이온배터리의양극재보다무게당 용량이최대 6 배향상되고 ( 에너지밀도 3 배 ) 충 방전 2,500 회동안초기성능 의 90% 이상유지할수있는새로운실시간전기화학적처리를개발하였다. 연구팀은간단한공정을통해제작가능한마이크론크기의물질을이용해 나노크기의물질로전환시켜배터리의용량및안정성향상에집중하였는 데, 핵심적인방법은전극활성물질을셀제작후에실시간으로나노크기 로변환시킬수있는 전기화학적분쇄법 (in situ electrochemical nano pulverization) * 이다. 또한연구팀은리튬이온배터리의새로운전극재료로써고용량 실리콘음 극 과 황 - 금속화합물양극 에주목하고, 황 - 금속화합물양극에전기화학 적처리를통해 황 - 금속화합물양극 - 리튬 / 실리콘음극 으로구성된신규 고용량 고안정성배터리를개발하였다. 신규배터리는무게당저장용량이 약 1,150 mah/g 으로현재상용화된리튬이온배터리 (150~200 mah/g 수 준 ) 보다약 6 배높으며, 사용전압 (1.5 ~ 2.0 V) 을고려한에너지밀도에서 는약 3 배이상증가함을확인하였다. 엄광섭교수는 이번연구성과는고용량 초저가인황 - 금속화합물소재를 이용한새로운리튬이차전지의성능및안정성을상용에가까운수준으로 향상시켰다는데가장큰의의가있으며, 향후추가적인연구개발을통해전 기자동차 (EV) 와에너지저장시스템 (ESS) 으로상용화함으로써이차전지시 장의급격한성장이가능하길기대한다 고말했다. GIST 신소재공학부엄광섭교수와조한익교수 ( 건국대학교 ) 가공동으로주 도하고장의진박사과정생 (GIST 신소재공학부 ) 이수행한이번연구는한국 연구재단의지원을받아진행됐으며, 연구성과는 ACS (American Chemical Society) 의저명나노과학저널인 ACS Nano (2017 인용지수 : 13.7) 에 12 월 24 일자로온라인게재됐다. < 끝 > - 2 -
용어설명 1. 리튬이차전지및문제점 리튬이온전지는전해질내에전기화학적전위차가있는양극과음극으로구성되어전기에너지가필요시전자및리튬이온이자발적으로음극에서양극으로이동하여전기에너지를생성한다. 충전시에는외부에서전기에너지를가하여다시리튬이온과전자를다시음극으로보내어원래의상태로돌릴수있다. 즉, 충 / 방전이용이하게가능한에너지저장시스템 (2차전지 ) 이다. 그러나리튬이온이전극물질내부로들어갔다나왔다하는과정의반복에의해서장기적으로사용시구조가붕괴되는등의문제로성능감소가일정하게일어나는문제가있다. 따라서수명을향상시키고자하는연구또한활발히진행되고있다. 2. 그라파이트및실리콘음극전극 탄소의육방형판상층상구조결정체로 6개의카본원자당 1개의리튬이온이저장된다. 이론용량은 374 mah/g으로용량은매우낮으나리튬이온이그라파이트내부로들어가고나오는반응이매우안정적이나현재대부분의상용리튬이온전지의음극재료로사용되고있다. 그러나고용량배터리를개발하기위해서는 4200 mah/g을가지는실리콘전극과같은새로운음극전극재료가필요하다. 3. 리튬금속산화물및황양극전극 LiCoO 2, Li(NiCoMn)O 2, LiMn 2 O 4 등현재전기자동차및휴대폰에사용되는리튬이온전지의양극재료로사용되고있는물질로사용전위가리튬대비약 4.0 V로높으나이론용량은 120~180 mah/g 수준으로낮다. 현재세계적인배터리연구그룹과회사에서이론용량에근접할만큼기술개발수준이높다. 따라서현재배터리보다용량을급격히향상시키기위해서는새로운형태의초고용량전극재료의개발이필요하다. 특히, 황전극은이론적으로 1,672 mah/g의매우높은용량을가지고있고, 가격이매우저렴하여주목받고있다. 그러나현재용량은 400~800 mah/g 수준이고, 안정성이매우낮아수십번의충방전동안에도성능감소가두드러진다. - 3 -
4. 고체전해질계면 (SEI) 층 리튬이온전지에서초기에전해질과리튬이온의환원반응에의하여음극의표면에자연적으로형성되는보호막으로, 기본적으로전극의부식을막는좋은역할을한다. 그러나형성될때많은양이형성되어두꺼워지면전기전도도와리튬이온의이온전도도가감소하여성능이오히려감소한다. 또한, 사용가능한리튬이온의양이줄어들어전체적으로전지의성능을감소시킨다. - 4 -
그림설명 [ 그림 1] 황-금속화합물양극의실시간전기화학적처리를통한성능및안정성향상과정. 그래프의빨간색 / 검은색데이터는충 방전 1회당기록된에너지저장용량 (mah/g) 을의미하며, 충 방전횟수에따른물질의변화를전자현미경으로관찰하였다. (i) 충 방전이진행됨에따라초기 20회동안고체전해질계면 (SEI) 층형성에의하여성능감소가있으나, 그뒤 100회동안성능이회복하여 3배향상된 1276 mah/g의성능을나타낸다. 또한회복된뒤 2,500회동안용량을유지하며이는기존리튬금속산화물양극에비해 6배이상향상된성능을보인다. (ii) 충 방전이진행되기전에는마이크론크기의층상형태의형태를가졌으며, 용량이증가하는부분을전자현미경으로관찰한결과충 방전을통하여마이크론크기의물질이점차적으로분해되어 100회후엔 5-7 nm 크기의입자를가진다. 일반적으로나노입자는리튬이온배터리에서마이크론크기의물질에비해상대적으로리튬이온의확산거리가짧고부피에대한표면적이크기때문에뛰어난활동적성능을가지며부피팽창에의한박리가적다. 나노크기의입자는제작과정이복잡하나본배터리에사용한실시간전기화학방법을사용하면간단한방법으로물질을제작하고추가적인공정비용없이쉽게나노크기의입자를만들수있다. - 5 -
[ 그림 2] 전기화학처리를진행한황-금속화합물양극의충 방전횟수당실제측정되는에너지저장용량을보여주는그래프. 그래프의빨간색 / 검은색데이터는충 방전 1 회당기록된에너지저장용량 (mah/g) 을의미하며, 파란색데이터는충 방전에너지저장효율을의미하는데, 약 99.99% 이다. (i) 실시간으로전기화학처리를진행한황-금속화합물양극은 2,500회의충 방전후에도활물질기준으로약 900 mah/g의안정적인용량을보여준다. 이는현재사용되는리튬배터리의양극인리튬금속산화물용량 (150~200 mah/g 수준 ) 의약 4~6배정도가된다. (ii) 특히, 개발신규배터리는위의그래프와같이초기 1,000회충 방전동안에는점차적으로성능이증가하는현상을보여준다. 1,000회후에는감소되는현상을보여주지만 2,500회후의성능은최고성능 (1,000회충 방전후 ) 에비해성능감소가 25% 정도로나타나며초기성능 (700 mah/g) 과비교하면감소되지않고유지되고있다. (iii) 이때충전속도는 5C-rate로써약 12분이면완전충전이가능한높은속도특성또한보인다. - 6 -
[ 그림 3] 개발신규배터리 ( 황-금속화합물양극 리튬 / 실리콘음극풀셀 ) 의모식도와충 방전횟수당실제측정되는에너지저장용량을보여주는그래프. 그래프의빨간색 / 검은색데이터는충 방전 1회당기록된에너지저장용량 (mah/g) 을의미하며, 파란색데이터는충 방전에너지저장효율을의미하는데, 약 99.99% 이다. (a) 황-금속화합물양극과리튬 / 실리콘음극으로구성된신규배터리의모식도이다. (b) 신규배터리의충 방전횟수당실제측정되는에너지저장용량을보여주는그래프로양극전극기준으로무게당약 1150 mah/g의용량을보여준다. 이는현재리튬배터리용량 (150~200 mah/g 수준 ) 의 6배정도가된다. 사용전압 (2.0~2.5 V) 를고려할경우, 에너지밀도의경우에도약 3배이상향상된다. - 7 -