일반적인 구형 흑연과 판상 흑연에 플루오린 원소를 표면 처리한 매트릭스 모식도 및 표면처리 유무에 따른 고체 전해질 중간상의 변화와 리튬 수지 상정 성장 비교. (사진=경상국립대 제공)

현재 전기자동차와 같은 친환경 이동장치 수요의 증가와 함께 급속충전이 가능한 차세대 음극 소재가 주목받고 있다. 충전 속도를 높이기 위해서는 핵심 소재 기술 개발이 필수적이며, 전기자동차의 화재 사고가 빈번한 만큼 안전성뿐만 아니라 배터리의 수명을 늘리는 것 또한 연구가 필요하다.

경상국립대학교 공과대학 나노·신소재공학부 성재경 교수 연구팀은 전기자동차의 수명 및 안정성을 대폭 늘릴 수 있으며 충전 시간을 단축할 수 있게 하는 F(플루오린) 원소를 통한 흑연 표면처리 기술을 개발했다.

연구 결과는 국제 저명 학술지인 '카본(Carbon)'(IF: 10.9)에 1월 10일자(현지시각)로 공개됐다.

이 기술은 기존 구형 흑연에 비해 높은 비표면적을 가지는 판상 흑연에 화학기상증착법을 통해 플루오린 원소를 표면처리해 표면의 활성부위를 높였다. 이러한 플루오린 원소는 충·방전 중 형성되는 고체 전해질 계면층(SEI) 고체 전해질상을 리툼-플루오린(Li-F)이 풍부하게 해 리튬 이온의 원활하고 빠른 이동을 제공할 수 있다.

이러한 빠른 리튬이온의 확산은 리튬 이온 배터리의 열화 및 쇼트의 원인인 리튬 수지상 성장을 억제해 장기 사이클이 가능하게 할 수 있다.

성재경 교수는 "전기자동차의 주행거리 연장 및 급속충전을 위해 현재 연구에서 합금 계열의 고용량 음극재의 개발이 활발하게 진행되고 있지만, 충·방전 시 발생하는 높은 부피 팽창 및 수축 등 극복해야 할 문제점이 많다"면서 "따라서, 현재 상용화된 흑연 음극재를 더 우수한 성능으로 향상하는 연구는 상대적으로 훨씬 더 실질적인 적용이 가능한 연구 결과로 볼 수 있다"고 말했다.

성재경 교수 연구팀은 판상 흑연을 기반으로 플루오린 원소 표면처리 기술을 통해 급속충방전/고안전성/장수명 배터리를 개발했으며, 이 개발 물질을 리튬 이온 배터리에 적용한 결과 니켈-코발트-망간-산화물 양극재가 적용된 풀셀 시스템에서 1000회 충전(2C)/방전(1C) 시에 83.5% 이상의 높은 사이클 수명 특성을 보여줬다.

이는 기존의 흑연에 대비해 큰 수명 향상을 보여줌과 동시에(충전 2C) 충전 시간을 단축할 수 있는 향상된 흑연 음극 소재의 개발이라고 할 수 있다.

리튬 이온 배터리에서 급속 충·방전 시 나타나는 리튬의 수지상 형태로 성장하는 문제를 플루오린 원소를 기반으로 한 표면처리 기술을 적용함으로써 리튬 이온의 확산 속도를 높여 이를 억제하여 안전성 또한 개선했다.

성재경 교수는 "이러한 우수한 특성을 갖는 신 흑연 음극 소재로 기존 대비 향상된 특성을 갖고 안전한 전기자동차(EVs) 구현뿐만 아니라 드론 및 도심 항공 모빌리티에도 적용할 수 있을 것으로 전망된다"고 말했다.