[한국대학신문 이정환 기자] 광운대학교 전자융합공학과 심준섭 교수 연구진은 그래핀(Graphene)을 활용해 혁신적인 리튬 이온 배터리 음극 소재를 개발했다. 이 연구는 그래핀을 지지하는 지지체로서 폴리머를 사용해 그래핀 필름을 제작하고 이를 음극재로 이용한 리튬이온 배터리를 제작했다. 개발된 그래핀 음극재는 그래핀 구조를 안정적으로 유지해 배터리 수명이 길고, 전자와 이온의 수직 이동 경로를 제공해 리튬 이온 배터리의 전반적인 성능을 증가시키는 중요한 역할을 한다. 이 기술은 비용 효율적이며 대량 생산이 가능해 차세대 배터리 소재로 기대된다.
최근 전기차와 휴대기기의 수요가 급증함에 따라, 고성능 배터리에 대한 필요성이 더욱 커지고 있다. 그래핀 음극재는 높은 전자 이동성과 이온 전도성을 갖는다. 하지만 그래핀을 필름 형태로 제작하게 되면, 필름 구조를 유지하지 못하고 쉽게 부서지게 된다. 따라서 그래핀을 필름 형태로 대량생산해 리튬이온 배터리의 음극재로 적용하기가 어렵고, 배터리에 적용했을 때 그래핀이 부서지면서 수명이 길지 못하다는 문제점이 있다.
심준섭 교수 연구팀은 이러한 문제점을 해결하기 위해 육각형의 폴리머 구조의 지지체에 그래핀을 형성함으로써 그래핀이 견고하게 형성된 그래핀 폴리머 필름을 개발했다. 개발된 그래핀 폴리머 필름은 수직 방향으로 높은 전자 이동성과 이온 전도성을 갖기 때문에 배터리 효율이 높으면서도 긴 수명을 갖는다는 것을 실험을 통해 증명했다. 또한 바인더가 필요 없는 자립형 전극이기 때문에 비용 효율적이고 배터리 무게도 감소시켰다. 이번 연구에서 개발된 그래핀 폴리머 필름은 배터리 음극 소재로서 581 mAh/g의 용량을 기록하며, 400회 이상의 충방전 테스트에도 80%의 용량을 유지하는 성과를 달성했다. 이러한 성능은 기존의 리튬 이온 배터리 기술에 비해 뛰어난 것으로 차세대 배터리의 성능 향상에 크게 기여할 것으로 기대된다.
심준섭 교수는 “그래핀은 꿈의 소자로 불리며 전도성, 기계적 강도, 열전도성 등 다양한 특성을 가지고 있어 차세대 전자기기 및 에너지 저장 장치에 매우 유망한 소재로 자리잡고 있다”라며 “그래핀 폴리머 필름 기술을 통해 제작된 그래핀 음극 소재는 이러한 특성을 더욱 극대화하여 리튬 이온 배터리의 성능을 한층 높일 수 있을 것으로 기대된다”라고 말했다.
한편, 이번 연구는 초격차 스타트업 1000+ 프로젝트(DIPS 1000+)와 광운대 교내연구비 지원으로 수행됐으며 연구 결과는 Wiley-VCH 출판사가 발간하는 세계적 학술지인 〈Small Methods〉(JCR Q1 랭킹, Impact Factor: 10.7)에 게재됐다.
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