고효율, 소수명 에너지 저장장치용 집전체가 개발돼 이를 이용하는 에너지 공급원인 이차전지 및 슈퍼커패시터의 에너지 밀도 및 수명이 향상될 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부 산하 정부출연연구기관인 한국재료연구원(KIMS, 원장 이정환)은 그린수소재료연구실의 이지훈 박사 연구팀이 서울대 최인석 교수, 강릉원주대 신중호 교수 연구팀과 함께 3차원 다공성 탄소계 집전체 소재를 개발하고, 이를 이차전지와 슈퍼커패시터에 적용해 에너지 밀도와 수명 특성을 동시에 향상시키는 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

집전체는 박막 극판 제조에 중요한 요소이다. 반면에 전극 무게와 부피의 상당 부분을 차지해 에너지 밀도 향상과 에너지 저장장치 경량화에 제한적이다. 특히 전기차 등 중대형 전기화학적 에너지 저장장치가 적용되는 분야에서 이는 더욱 두드러진다. 반복적인 충방전 또한 마찬가지이다. 활물질이 분리되거나 전지 내 수분과 공기 유입으로 인한 기존 금속 집전체의 부식 문제는 전지 수명을 단축하는 원인이다.

연구팀은 다양한 환경에서도 안정적인 탄소를 대상으로 부유 촉매 화학 기상 증착법을 적용해 3차원 다공성 구조의 탄소계 집전체를 제작했다. 이후 양산공정을 고려해 이차전지 산업에서 활용 중인 활물질 코팅 방식을 적용해 전극을 만드는 데 성공했다. 이는 그동안 전해질과 작동 전압 등 환경변화에 따라 집전체 소재를 변경 및 적용해야 했던 기존의 제약 요소를 획기적으로 극복한 것이다.

또한 다공성 구조는 리튬 이온의 이동을 원활하게 만들어 보다 빠른 충방전과 에너지 밀도 향상, 그리고 넓은 기공을 통한 용량 증가 또한 이끌었다. 기존 금속 포일이 2차원 평면 구조로 활물질과의 계면 접촉 면적이 제한적이었던데 비해, 개발한 3차원 탄소계 집전체는 해당 면적을 극대화해 안정적인 계면을 형성하고 장치 수명을 개선하는데 핵심 역할을 했다.

연구책임자인 이지훈 선임연구원은 “소재의 본질적인 부분에서 기인한 문제점을 해결해, 탄소계 기반 집전체의 상용화 진입 장벽을 낮추고 소형부터 중대형 에너지 저장장치까지 아우를 수 있는 집전체의 활용 가치를 높일 것으로 예상된다”며 “전극 형성을 위한 부소재로 국한되어왔던 집전체의 역할을 새롭게 정의한 중요한 연구 의미를 가지는 만큼, 지속적인 연구를 통해 친환경적이고 기술 경제성이 고도화된 에너지변환 기술 개발에 대한 후속연구로 이어질 수 있도록 노력할 것”이라고 말했다.

본 연구성과는 과학기술정보통신부 지원으로 국가과학기술연구회 ‘창의형 융합연구사업’, 한국연구재단 ‘나노 및 소재 기술개발사업, 이공분야 기초 연구사업’, 서울대학교 ‘창의선도 신진연구자 지원사업’ 및 ‘지자체-대학 협력기반 지역혁신사업(RIS)’을 통해 수행됐다.

또한 연구 결과는 재료 분야 저명 국제학술지인 ‘에이씨에스 어플라이드 머티리얼즈 앤 인터페이시즈(ACS Applied Materials & Interfaces, IF=10.383 / 제1저자: 전종한 박사과정)’에 5월18일자 표지논문으로 선정 및 게재됐다.