서울대 공대 재료공학부 강기석 교수 연구팀이 탄소와 산소만으로 구성된 ‘그래핀 산화물’을 리튬이차전지용 양극소재로 개발하는 데 성공했다. 이로써 차세대 소재로 손꼽히는 그래핀이 혁신적인 배터리 개발에 박차를 가할 전망이다.

그 동안 리튬이차전지용 양극 소재로 전기화학 반응에 필요한 리튬과산화환원쌍을 하나의 결정 내에 포함하고 있는 리튬전이금속화합물이 쓰여 왔다. 그러나 산화환원쌍으로 이용되는 무거운 전이금속(코발트, 망간, 철 등) 때문에 이차전지의 경량화에 한계가 존재했다.

강 교수는 이러한 기존의 리튬전이금속화합물을 뛰어넘을 소재로 그래핀을 선택했다. 강 교수는 “기존에 리튬전이금속산화물 및 리튬전이금속인산염 등으로 한정된 소재를 뛰어넘을 새로운 소재개발이 시급했다”며, “이번 연구로 탄소와 산소로만 구성된 그래핀 산화물이 리튬 이차전지 양극소재로 우수한 특성을 보일 수 있음을 입증했다”고 밝혔다.

연구팀이 그래핀 표면의 작용기를 제어하면 리튬을 저장하는 전압을 획기적으로 높일 수 있다는 사실을 발견한 것. 이를 통해 그래핀이 리튬 이차전지 양극소재로 활용될 수 있음을 선보였다.

그래핀 양극소재는 성능도 우수해서 높은 에너지 밀도를 갖고 있으며, 매우 빠른 충전/방전(1분 미만)과 같은 극한 상황에서도 성능 저하가 적다. 또 120℃의 매우 낮은 온도에서도 많은 양을 한꺼번에 합성할 수 있어 대량생산도 가능해졌으며, 높은 온도 (~800℃)에서 주로 합성되는 기존 리튬전이금속산화물에 비해 생산단가 면에서도 훨씬 경쟁력이 있다.

강 교수는 “무거운 전이금속에 의존한 기존의 양극소재에서 벗어나는 것이 가능해졌다”며 “이번 연구가 차세대 전기자동차와 같이 가벼운 고용량 배터리 개발이 중요한 분야에서 리튬전지용 양극 소재 연구에 새로운 패러다임을 가져올 것”이라고 밝혔다.

강교수가 주도하고 박사과정 김해겸 연구원이 참여한 이번 연구결과는 과학저널 네이처의 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Report)에 3월 21일자로 게재되었으며 세계적으로도 주목 받고 있다.