UNIST 에너지 및 화학공학부 백종범 교수 공동 연구팀은 쇠구슬을 이용해 흑연을 얇게 깨뜨리는 기계화학적 공정으로 리튬이차전지 음극소재에 사용 가능한 그래핀을 개발했다. 그래핀 전극은 기존 소재보다 높은 용량과 빠른 충전, 안정성을 확보해 이차전지 전극소재의 국산화에 기여할 전망이다.

기존 그래핀 합성법은 환경문제를 일으키고 복잡한 공정으로 대량 생산의 어려움이 있었다. 백 교수 연구팀은 쇠구슬을 이용해 흑연을 분쇄하는 친환경적 공법으로 그래핀 전지의 대량생산 길을 열었다.

리튬이차전지의 음극 소재는 충전시 리튬 이온을 받아들이는 역할을 한다. 할로젠 원소의 기능을 입힌 그래핀을 음극소재로 사용할 경우 리튬이온이 이동할 수 있는 면적을 넓혀 563mAh/g의 용량 증가는 물론, 충·방전 속도를 향상시킬 수 있었다. 흑연을 음극소재로 사용할 경우 372mAh/g보다 향상된 수치다.

또한 흑연을 음극소재로 사용할 경우 전극의 수명감소와 내부 압력 상승에 따른 폭발의 위험성도 뒤따랐다. 하지만 그래핀 음극 소재의 경우 한달 후에도 처음 에너지 밀도와 비슷한 용량을 유지해 우수한 안정성을 보였고 내부 압력 상승의 위험도 크게 줄었다.

백 교수는 “한국이 글로벌 리튬 이차전지 시장 점유율 1위지만 열처리 기술이 뛰어난 일본과 천연 흑연이 풍부한 중국에 밀려 음극 소재의 국산화는 뒤쳐져 있다”며 “가격경쟁력과 우수한 성능을 가진 그래핀을 리륨 이차전지의 음극소재로 사용할 수 있게 돼 음극소재 국산화에 기여하게 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 시수 도우(Shixue Dou) 울렁공대(University of Wollongong) 교수, 리밍 다이(Liming Dai) 케이스웨스턴리저브대(Case Western Reserve University) 교수와 함께 진행됐으며, 연구결과는 재료과학분야 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’ 온라인 속보로 20일 실렸다.

양희은 기자