건국대 연구진, 저온 공정으로 고성능 리튬이온전지 소재 개발 성공

노형석 기자

작성일 2026-09-08 08:23

건국대학교 조한익 교수(화공생명에너지공학부) 연구팀이 100℃ 이하의 저온 공정만으로 리튬이온전지 음극 소재인 이산화망간(MnO₂)의 성능과 안정성을 높이는 기술을 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 고온 열처리나 별도의 화학적 환원 공정 없이 소재 내부의 결함과 계면을 제어하여 이론 용량에 근접한 리튬 저장 성능을 구현하는 것이 특징이다.

이번 연구는 중앙대학교 박해선 교수 연구팀과 공동으로 수행했으며, 연구 결과는 에너지 저장 분야 국제학술지 ‘Journal of Energy Storage’(IF=10.7)에 지난 8월 28일 게재됐다.

리튬이온전지는 휴대 전자기기와 전기차 등에 널리 활용되는 핵심 에너지 저장 장치로, 더 많은 에너지를 저장하면서도 오랫동안 안정적으로 사용할 수 있는 전극 소재 개발이 중요하다. 이산화망간은 높은 이론 용량과 풍부한 자원, 친환경성 등의 장점으로 차세대 음극 소재로 주목받고 있으나, 전기전도도가 낮고 리튬이온의 이동이 느리며 반복적인 충·방전 과정에서 구조가 불안정해지는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 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, 적절하게 형성될 경우 전자와 이온의 이동을 촉진하여 전기화학적 반응을 활성화할 수 있다.

기존에는 산소 공공 형성을 위해 고온 열처리나 화학적 환원 공정이 주로 사용되었으나, 이는 많은 에너지를 필요로 하고 소재 구조 손상 가능성이 있었다. 연구팀은 별도의 고온 환원 과정 없이 저온 반응 조건 조절만으로 이산화망간에 산소 공공을 효과적으로 형성했으며, 그 결과 높은 가역 용량과 이론 최대 용량에 근접한 리튬 저장 성능을 나타냈다.

또한, 연구팀은 추가적인 저온 열처리를 통해 이산화망간과 그래핀 사이의 계면 결합을 강화하여 반복적인 충·방전에도 성능을 유지할 수 있도록 전극 구조의 안정성을 높였다. 이를 통해 소재의 구조적 열화를 효과적으로 억제하면서 높은 전기화학적 성능을 유지할 수 있음을 확인했다.

이번 연구는 100℃ 이하의 비교적 낮은 온도에서 소재 내부의 결함과 계면을 함께 제어하여 높은 저장 용량과 안정성을 동시에 확보했다는 점에서 의미가 있다. 이는 기존 고온 기반 공정과 비교해 에너지 소비를 줄이면서 소재의 기능을 향상할 수 있는 새로운 설계 전략을 제시한 것으로, 향후 다양한 금속산화물·탄소 복합 소재에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구에는 건국대 조한익 교수와 이선영 박사과정생, 김명균 연구원(건국대 석사 졸업), 중앙대 신종훈 석사과정생이 공동 제1저자로 참여했으며, 중앙대 박해선 교수 연구팀이 공동으로 연구를 수행했다. 본 연구는 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단(NRF)과 한국산업기술진흥원(KIAT)의 지원을 받아 수행됐다.