TiNb2O7, Ti2Nb10O29, Ti2Nb14O39, TiNb24O62 소재들의 SEM 이미지와 리튬이온전지 사이클 결과.(사진=국립창원대 제공)

국립창원대학교 글로컬첨단과학기술대학(GAST)은 화학공학전공 손영욱 교수가 17일 중앙대학교 장해성 교수 및 캠브리지대학교(University of Cambridge) 마이클 드 볼더 교수 연구팀과 공동으로 고속충전 음극재로 각광받고 있는 티타늄-니오븀 산화물의 조성별 성능 메커니즘을 규명하는 데 성공했다고 밝혔다.

손영욱 교수에 따르면 최근 전기차(EV) 및 고출력 에너지 저장 시스템(ESS)의 발전과 함께 빠른 충전과 높은 에너지 밀도를 동시에 만족시키는 새로운 음극 소재 개발이 중요한 과제로 떠오르고 있다. 현재 상용화된 리튬티탄산화물(LTO)은 빠른 충전이 가능하지만 낮은 용량으로 인해 한계를 갖고 있다.

이에 대한 대안으로 티타늄-니오븀 산화물이 주목받고 있으며, 이번 연구에서는 TiNb2O7, Ti2Nb10O29, Ti2Nb14O39, TiNb24O62 네 가지 조성을 동일한 합성법을 이용해 비교 분석했다.

이번 연구에서는 음극재의 구동 메커니즘을 밝히기 위해 실시간 X선 흡수 분광법(Operando XAS) 분석을 사용했다. 각 소재에서 발생하는 산화-환원 반응을 실시간으로 분석해 나이오븀(Nb)의 산화 상태 변화가 리튬 저장 메커니즘에 중요한 역할을 한다는 사실을 밝혔다.

그 결과 네 가지 조성의 티타늄-니오븀 산화물 소재 중 TiNb2O7이 가장 높은 충방전 안정성과 우수한 고속충전 성능을 나타내며, 이는 니오븀의 산화 상태 변화 활용도가 높기 때문으로 분석됐다. 이뿐만 아니라 기존 LTO 음극을 사용한 풀셀과 비교한 결과, TNO 기반 음극을 사용한 풀셀이 높은 용량과 안정성을 유지하면서도 빠른 충전이 가능함을 입증했다.

연구를 통해 티타늄-니오븀 산화물이 고출력 리튬이온 배터리의 음극 소재로서 상용화 가능성이 크다는 점도 확인됐다. 특히 전기차 및 차세대 에너지 저장 시스템에서의 활용 가능성이 기대된다. 앞으로의 후속 연구에서는 티타늄-니오븀 산화물 기반 음극의 상용화 연구 및 공정 최적화가 진행될 예정이다.

이 연구는 국립창원대학교, 중앙대학교, 포항가속기연구소, 케임브리지대학교 등의 연구진이 공동으로 수행했으며, 연구 결과는 ‘Journal of Materials Chemistry A (Impact Factor: 10.8)’에 게재됐다(논문명: ‘Compositional study of Ti–Nb oxide[TiNb2O7, Ti2Nb10O29, Ti2Nb14O39, and TiNb24O62] anodes for high power Li ion batteries’).