고려대 연구팀, '리튬이온전지' 용량·충전 속도 높이는 음극 개발

화학적 결합 없이 '단순히 섞는 혼합방식'으로 고성능 구현

윤영수 교수 연구팀 성과…재료과학 분야 국제 학술지 게재

[서울=뉴시스] 고려대학교 KU-KIST융합대학원 김시온 석사과정생(왼쪽) 윤영수 교수. (사진=고려대 제공) 2026.09.07. [email protected]
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[서울=뉴시스]이예인 인턴 기자 = 고려대학교(KU) 대학원 연구팀이 복잡한 공정 없이 두 음극 소재를 단순히 섞기만 해도 배터리 용량과 충전 속도가 모두 향상된다는 연구 결과를 발표했다.

7일 고려대에 따르면 KU-한국과학기술연구원(KIST)융합대학원 윤영수 교수 연구팀은 리튬이온전지의 음극 소재인 '흑연'과 '하드카본'을 물리적으로 혼합해 고성능을 구현했다.

리튬이온전지의 쓰임새가 넓어지면서, 한 번의 충전만으로도 더 오래가고 빠르게 충전되는 고성능에 대한 요구가 커지고 있다.

가장 널리 사용되는 리튬이온전지의 음극 소재는 흑연이다. 흑연은 안정적이고 효율이 높은 장점이 있지만, 급속 충전 시 용량이 감소하고, 리튬 금속 석출로 인한 배터리 화재가 발생할 수 있다.

흑연과 달리 하드카본은 내부에 빈 공간들이 많아 리튬을 빠르게 저장하지만, 단독 사용 시 전극 밀도와 초기 효율이 낮아지고 자체 저항으로 충전이 조기에 끊긴다.

연구팀은 흑연과 하드카본을 화학적으로 결합하거나 복잡한 공정을 거치지 않고 '가루 형태 그대로 섞는' 일반적인 방식으로 혼합했다. 그 결과, 두 소재는 서로의 리튬 저장 반응을 도와주는 새로운 상호작용을 보였다.

흑연은 일정한 전압 구간을 제공해 하드카본이 리튬을 충분히 저장하게 했고, 하드카본은 급속 충전 시 전류 부담을 줄여 흑연의 용량 저하 한계를 극복했다.

흑연-하드카본 혼합 음극은 그램당 약 500밀리암페어시(500㎃ h g⁻¹)의 높은 가역용량을 나타냈고, 16배 높은 전류 조건에서도 그램당 351밀리암페어시(351 ㎃ h g⁻¹)의 용량을 유지했다.

엔시엠811(NCM811) 양극과 조합한 완제품 형태의 전지에서도 흑연 음극 기반 전지보다 높은 에너지밀도와 출력밀도를 보여, 고에너지·고출력 음극 소재로서의 가능성을 확인했다.

이번 연구는 하드카본이 흑연을 보조하는 첨가제가 아닌 흑연과 함께 리튬 저장 경로를 조절하는 능동적인 소재로 작용할 수 있음을 보여준다.

특히 물리적 혼합만으로 성능 향상이 가능하다는 점에서 차세대 리튬이온전지 음극 설계에 실용적인 방향을 제시했다.

연구 성과는 재료과학 분야 국제 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)' 온라인에 지난달 21일 게재됐다.


◎공감언론 뉴시스 yein020528