- 입력 2026.09.30 13:16
질화탄소 첨가제로 두꺼운 전극 내 이온 이동성 개선
고속 방전 용량 165%↑…파우치셀 수명도 향상
한국화학연구원이 장거리 전기차용 고용량 배터리의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 전극 기술을 개발했다.
한국화학연구원(KRICT) 문상진·석정돈 박사 연구팀은 질화탄소(g-C3N4)를 양극 첨가제로 활용한 건식 후막 전극 기술을 개발했다고 30일 밝혔다. 이번 연구는 서울대, 연세대, 써모피셔사이언티픽코리아와 공동으로 진행됐다.
고용량 배터리를 만들려면 전극을 두껍게 만들어 에너지 저장 물질을 더 많이 넣어야 한다. 하지만 전극이 두꺼워지면 내부 깊은 곳까지 리튬 이온이 원활하게 이동하지 못하는 '리튬이온 교통체증' 현상이 발생해 성능이 저하되는 문제가 있었다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 다공성 질화탄소를 '리튬이온 안내자'로 활용했다. 질화탄소 표면의 질소 원자가 리튬 이온을 잠시 붙잡았다가 내보내는 과정을 반복하며, 리튬 이온이 양극 활물질로 더 쉽게 들어갈 수 있도록 돕는다.
그 결과 리튬 이온의 전하 전달에 필요한 활성화 에너지가 기존 49.8kJ/mol에서 22.1kJ/mol로 56% 감소했다. 또한 질화탄소의 다공성 구조가 전해액이 전극에 잘 스며들게 해 리튬 이온의 분포를 균일하게 만들었다.
질화탄소를 0.5% 첨가한 약 68μm 두께의 건식 후막 전극은 3C의 고속 방전 조건에서 방전 용량이 58.8mAh/g에서 156.2mAh/g으로 165.9% 증가했다. 출력 밀도 역시 최대 2.85배 높아졌다.
파우치형 풀셀(완성품 형태의 전지)로 실험한 결과, 600회 충·방전 후 용량 유지율이 첨가제가 없는 전극의 72.9%에서 질화탄소를 넣은 전극은 81.3%로 개선됐다.
다만 연구팀은 질화탄소 첨가량이 지나치게 많으면 전기 전도성이 낮아 전극의 저항이 커지는 등 부작용이 있어 최적화가 필요하다고 설명했다. 이번 연구는 실제 양산 수율이나 제조 비용 절감 효과를 직접 측정하지는 않았다.
이번 연구 결과는 국제학술지 '익스플로레이션(Exploration)' 2026년 8월호 표지 논문으로 게재됐다.
