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리튬이온전지의 용량을 높이기 위해서는 전극을 획기적으로 개선해야 한다. 과학자들은 이산화티타늄(TiO2)을 기존 흑연(탄소) 전극을 대체할 새로운 음극 소재로 지목하고 있다.
격자구조를 가진 이산화티타늄은 격자 사이사이에 리튬을 저장할 수 있어 배터리 용량을 높이기에 최적화된 구조를 갖고 있기 때문이다. 또 흑연에 비해 저렴하고 안정적인 동시에 친환경적이라는 장점도 있다. 하지만 이산화티타늄을 음극으로 구현한 기존 리튬이온전지의 용량은 이론상 용량의 절반 수준에 그친다는 점이 상용화의 걸림돌이 됐다.
그 결과 수 nm 크기 이산화티타늄 입자가 집합체로 모여 속이 빈 구 형태(hollow nanostructure)의 2차 입자를 형성할 때 가장 안정적이면서 효율적으로 리튬을 저장한다는 사실을 규명했다. 속 빈 구 형태의 나노 이산화티타늄 구조가 넓은 표면에서 일어나는 리튬과의 화학적 반응은 최소화하면서 리튬이 내부로 삽입되는 반응의 비중을 키우기 유리하기 때문이다. 화학적으로 안정적이면서 높은 용량을 내기에 최적화된 구조라는 의미다.
이어 연구팀은 이 나노 구조를 음극으로 적용한 리튬이온전지를 개발하고 포항방사광가속기에서 X선 분광실험을 진행하며 미시적 구조와 배터리의 성능 사이 관계를 분석했다. X선 분광실험은 복잡한 구조의 시료 내부에서 발생하는 현상을 실시간으로 분석할 수 있다. 개발된 배터리는 리튬이온 저장성능을 30% 이상 향상시킬 수 있으며 500회 이상 충·방전을 반복해도 고용량, 고출력 성능을 유지했다. 속 빈 구 형태의 나노구조가 초과로 저장된 리튬을 효과적으로 안정화시키기 때문에 안정성을 오래도록 유지할 수 있는 것으로 나타났다.
이번 연구성과는 화학분야 최고 권위지인 미국화학회지(JACS, Journal of the American Chemical Society) 온라인 판에 지난 11월 27일자(한국 시각) 실렸다.