나노기술 및 정책 정보

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  산업기술총합연구소(AIST) 선진제조프로세스연구부문 결정제어프로세스연구 그룹 아키모토 쥰지(秋本順二) 그룹장, 계측프런티어연구부문 나노이동해석연구그룹 고토 요시히토(後藤義人) 그룹장은 (주)이시하라(石原)산업과 공동으로 리튬이온 이차전지용 신규 고용량 티타늄산화물 음극재료 H2Ti12O25를 개발했다.
  이 재료는 구성 원소로서 리튬을 포함하지 않으며, 현재 사용되고 있는 산화물계 음극재료인 티타늄산리튬(Li4Ti5O12)과 같은 정도의 전압(리튬 기준으로 약 1.55 V)을 가지며, 산화물중량당 충·방전 용량으로 티타늄산리튬(175 mAh/g)을 웃도는 225 mAh/g 정도의 고용량을 실현 할 수 있다. 또, 함유하는 수소가 수소결합에 의해 골격구조를 형성하고 있어 충·방전 시 리튬의 삽입·탈리 반응에 영향을 주지 않는 안정된 구조로 이루어져 있다. 또한, 구성원소로서 리튬을 포함하지 않기 때문에 비용면에서도 유리하다. 이 때문에, 전기자동차, 하이브리드자동차 등의 전동차량용 리튬이온 이차전지의 고용량화, 장수명화, 저비용화에 기여할 것으로 기대된다.

  이 신규 티타늄 산화물은 출발 원료의 골격구조의 특징을 보유하면서 화학조성을 변화시키는 방법인 소프트 화학합성법에 의해 합성되었다.

  출발 원료로서 티타늄산나트륨(Na2Ti3O7)을 사용하여 처음에 60℃의 조건으로 산(酸) 처리를 하여 전구체인 H2Ti3O7을 제조한 후, 200~300℃ 정도로 가열함으로써, 원하는 신규 티타늄 산화물 H2Ti12O25를 제작할 수 있었다.

  신규 티타늄 산화물의 열중량분석 결과와 1H 고체 NMR 스펙트럼을 비교한 바, 중량감소로부터 예측되는 탈수량은 H2Ti12O25의 화학조성과 모순되지 않았다. 또, 고체 NMR 스펙트럼으로 판단할 때, 함유된 수소가 수소결합으로 결정 구조 중에 단단히 고정화되어 쉽게 탈리되지 않는 것을 알 수 있었으며, 2개의 피크가 관측되는 것으로부터 구조중에 2종류의 점유 사이트가 있는 것도 알 수 있었다. 또한, 건식자동밀도계를 이용하여 측정한 밀도는 3.50 g/㎤으로, 수소를 함유하고 있음에도 불구하고 티타늄산리튬(3.49 g/㎤)과 거의 동등한 밀도를 나타냈다.

  이 신규 티타늄 산화물의 충·방전 사이클 특성과 기존 재료인 티타늄산리튬(이시하라산업제 LT-017)을 같은 조건에서 시험하였다.

  실온에서, 신규 티타늄 산화물의 경우, 첫 번째 사이클의 충전 용량은 255mAh/g, 방전 용량은 210 mAh/g으로, 초기의 불가역 용량이 있었지만, 10번째 사이클의 충전 용량은 216mAh/g, 방전 용량은 214 mAh/g으로 거의 가역적인 충·방전 용량이 확인되었다. 또, 50사이클 후에도 충전 용량이 213 mAh/g, 방전 용량이 212 mAh/g이었고, 티타늄산리튬과 동등한 양호한 사이클 특성을 나타내며 200 mAh/g를 넘는 고용량을 유지하였다. 이는 신규 티타늄산화물이 구성 원소로 수소를 함유하는 것이 전극재료로서 문제가 되지 않는다는 것을 나타낸다. 또, 기존 재료 대비 30% 정도의 고용량화가 가능하다.
  이번 개발한 신규 티타늄 산화물을‘음극활물질’로 하여 양극에 망간산리튬을 사용한 리튬이온 이차전지를 시작한 후, 그 충·방전특성을 평가하였는데, 이 구성으로 가역적인 충·방전이 가능하며 개발한 신규 티타늄 산화물이 음극으로서 문제없이 기능하는 것이 밝혀졌다.
  향후, 이시하라산업은 전지메이커를 비롯한 산업계에 샘플을 제공하여 실용화를 위한 과제를 규명하고, 또 화학조성, 결정구조, 분체특성의 최적화를 이루어 입출력 특성을 개선할 예정이다.