입력 2025.08.13 14:25
유영재 교수 연구팀, 도전재 구조 차이에 따른 리튬이온 확산경로 규명
국제학술지 ‘Energy & Environmental Materials’ 게재
중앙대학교(총장 박상규)가 리튬이온 배터리 개발을 위한 새로운 방향성을 제시했다.
중앙대는 첨단소재공학과 유영재 교수(지능형에너지산업융합학과 겸임) 연구팀이 리튬이온 배터리용 후막전극 내 도전재의 구조 차이에 따라 이온 확산 경로가 어떻게 달라지는지를 정량적으로 규명했다고 밝혔다.
리튬이온배터리는 최근 이동형 전자기기, 전기차, 항공·우주, 의료 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 확대되고 있다. 이를 위해 리튬이온배터리의 에너지 밀도를 높이기 위한 후막전극 제작용 건식공정 기술이 주목받고 있지만, 전극 두께가 두꺼워질수록 리튬이온의 확산이 저하되는 한계가 있어 이를 개선하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
연구팀은 구형(0D) Super P, 선형(1D) 다중벽탄소나노튜브(MWCNT), 판상(2D) 그라파이트나노플레이트(GNP)를 도전재를 각각 적용한 250μm 두께의 리튬인산철(LiFePO4) 전극을 제작했다. 이후 도전재 구조에 따른 리튬이온 확산경로를 제어하고, 전기화학 성능을 비교·분석했다.
그 결과, 선형 형태의 MWCNT를 적용한 전극은 높은 기공률(51%)과 낮은 리튬이온 확산경로 (τ = 4.02)를 보였으며, 0.1C에서 157 mAh g⁻¹의 용량과 93.8%의 장기 수명 안정성을 나타냈다. 반면, 판상형 GNP나 구형 Super P 기반 전극은 상대적으로 높은 리튬이온 확산경로 및 낮은 배터리 성능을 보여, 도전재의 구조가 후막 전극의 성능에 핵심적인 영향을 미침을 입증했다. 이 같은 구조-성능 관계는 X선 마이크로토모그래피, 기공분석, 임피던스분석 등을 통해 다각도로 확인되었다.
이번 연구는 건식공정을 적용한 후막전극 내에서 도전재 선택이 전극 구조설계에 있어 단순한 전도성 확보를 넘어 리튬이온 확산 최적화의 핵심 변수임을 강조하며, 고성능 리튬이온 배터리 개발을 위한 구조설계의 새로운 방향성을 제시했다.
유영재 교수는 “이번 연구는 건식공정이라는 기존 기술 위에서, 도전재의 구조적 차이에 따라 리튬이온 확산경로 차이와 전극 성능이 어떻게 달라지는지를 정량적으로 분석한 데 큰 의의가 있다”며, “고에너지밀도 배터리뿐만 아니라 구조 중심의 복합소재 설계에도 응용될 수 있는 기반을 마련한 것”이라고 밝혔다.
해당연구는 첨단소재공학과 김병진 석사과정생, 김대겸 연구교수, 유지훈 박사과정생이 공동 제1저자로 참여하였고, 산업통상자원부 소재부품기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다. 재료과학 분야에서 세계적 학술지인 Energy & Environmental Materials에 ‘Conductive Agent-Controlled Tortuosity in Solvent-Free Thick-Film Electrodes for High-Energy Lithium-Ion Batteries’라는 제목으로 게재됐다.