3분만에 충전되는 리튬이온 배터리
리튬이온 배터리는 우리 주변 곳곳에서 쓰인다. 핸드폰, 노트북, 전기 자동차, 에어팟(AirPods) 등 무선(wireless)제품에는 리튬이온 배터리가 빠질 수 없다. 박원일 토토사이트 행오버(신소재공학부)는 바로 이 리튬이온 배터리에 집중했다. 보통 핸드폰을 100% 충전시키기 위해서는 1시간에서 2시간이 소요된다. 박 토토사이트 행오버는 이를 단 3분으로 줄였다. 원리가 무엇일까?
리튬이온 배터리에는 내부에는 양극, 음극, 액체 전해질이 있다. 배터리가 충전 되려면 리튬이온이 액체 전해질을 타고 음극에서 양극으로 이동해야 한다. 현재 리튬이온 배터리의 음극을 이루는 활물질(전지가 방전할 때 화학적으로 반응하여 전기에너지를 생산하는 물질)은 흑연이다. 차세대 대체물질로는 실리콘이 대두된다. 에너지 밀도가 흑연보다 10배 이상 크기 때문이다.
하지만 박 토토사이트 행오버는 실리콘 대신 규화니켈을 사용했다. “문제는 대체물질이 아니라 ‘부반응(solid electrolyte interphase)층’ 입니다. 음극과 전해질 사이의 계면(기체, 액체, 고체 중 2개의 상이 접할 때 상과 상 사이에 형성되는 경계면)에서 고체로 이루어진 부반응 층을 해결하는 게 관건이죠.” 리튬이온이 부반응 층에 가로막혀 제 기능을 못하기 때문이다.
박 토토사이트 행오버는 활물질 안에 전압이 생기도록 하는 방법을 고안했다. 활물질인 규화니켈 밖에는 부반응층이 생겨도 안에는 부반응 층이 생기지 않는다. 이 원리를 이용하면 전류가 통할 수 있다. 박 토토사이트 행오버의 이번 논문 ‘Controlling electric potential to inhibit solid-electrolyte interphase formation on nanowire anodes for ultrafast lithium-ion batteries’의 제 1저자이기도 한 장원준(신소재공학 석사과정) 씨는 이 개념을 적용하면 배터리 성능이 좋아지고 충전속도가 빨라진다고 밝혔다. “보통 리튬이온 배터리는 500회 이상 충전하면 성능이 안 좋아져요. 하지만 저희는 3분만에 핸드폰 배터리가 완충되는 조건으로 2000번을 실험했습니다. 성능은 거의 떨어지지 않았어요.”
박 토토사이트 행오버가 이번 논문과 연구를 통해 강조하고 싶은 건 단연 ‘부반응층 억제’다. 1년 반이라는 연구 기간 동안 부반응 층이 활물질 표면에만 생긴다는 개념을 증명하기 위해 약 1년을 투자했다. 박 토토사이트 행오버의 연구는 끝나지 않았다. “부반응 층을 억제하는 개념을 확장해서 전기 화학 셀(electrochemical cell)에 적용하고 싶어요.” 하나의 연구에서 또 다른 연구로 나아가는 박 토토사이트 행오버의 행보가 기대된다.
글/ 옥유경 기자 halo1003@hanyang.ac.kr
사진/ 박근형 기자 awesome2319@hanyang.ac.kr
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