건국대 연구진, 저온 공정으로 고성능 리튬이온전지 소재 개발 성공

노형석 기자

작성일 2026-09-08 08:02

건국대학교 조한익 교수(화공생명에너지공학부) 연구팀이 100℃ 이하의 저온 공정만으로 리튬이온전지 음극 소재인 이산화망간(MnO₂)의 성능과 안정성을 높이는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이번 연구는 고온 열처리나 별도의 화학적 환원 공정 없이 소재 내부의 결함과 계면을 제어하여 이론 용량에 근접한 리튬 저장 성능을 구현한 것이 특징이다. 중앙대학교 박해선 교수 연구팀과 공동으로 수행된 이번 연구 결과는 에너지 저장 분야 국제학술지 ‘Journal of Energy Storage’(IF=10.7)에 게재되었다.

리튬이온전지는 휴대 전자기기와 전기차 등에 필수적인 에너지 저장 장치로, 더 많은 에너지를 저장하고 안정적으로 사용할 수 있는 전극 소재 개발이 중요하다. 이산화망간은 높은 이론 용량과 풍부한 자원, 친환경성 등의 장점으로 차세대 음극 소재로 주목받고 있으나, 낮은 전기전도도와 느린 리튬이온 이동 속도, 반복 충·방전 시 구조 불안정성 등의 한계가 있었다.

연구팀은 이산화망간과 그래핀옥사이드(GO)를 결합한 복합 소재를 제작하고, GO 합성 과정에서 발생하는 저온 반응을 이용해 이산화망간 내부의 ‘산소 공공(oxygen vacancy)’을 제어하는 전략을 제시했다. 산소 공공은 소재 내부에서 산소 원자가 빠져나간 빈자리로, 적절히 형성될 경우 전자와 이온의 이동을 촉진하여 전기화학적 반응을 활성화할 수 있다. 기존에는 고온 열처리나 화학적 환원 공정을 주로 사용했으나, 이는 많은 에너지를 소모하고 소재 구조 손상 가능성이 있었다.

연구팀은 별도의 고온 환원 과정 없이 저온 반응 조건 조절만으로 산소 공공을 효과적으로 형성했으며, 이를 통해 이산화망간·그래핀옥사이드 복합체는 높은 가역 용량과 이론 최대 용량에 근접한 리튬 저장 성능을 나타냈다. 또한, 추가적인 저온 열처리를 통해 이산화망간과 그래핀 사이의 계면 결합을 강화하여 반복적인 충·방전에도 성능을 유지할 수 있도록 전극 구조의 안정성을 높이고 소재의 구조적 열화를 억제했다.

이번 연구는 100℃ 이하의 저온 공정으로 소재 내부 결함과 계면을 동시에 제어하여 높은 저장 용량과 안정성을 확보했다는 점에서 의미가 있다. 이는 기존 고온 기반 공정 대비 에너지 소비를 줄이면서 소재 기능을 향상할 수 있는 새로운 설계 전략을 제시하며, 향후 다양한 금속산화물·탄소 복합 소재에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단(NRF)과 한국산업기술진흥원(KIAT)의 지원을 받아 수행되었다.