차세대 배터리 용량·수명·충전속도 모두 개선할 기반 기술 기대
전기차 한 번 충전에 '주행거리 걱정'을 덜 만큼 많은 에너지를 담으면서도, 폭발 위험은 더 낮춘 새로운 배터리 기술이 나왔다.
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| ▲ 포스텍 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수. [포스텍 제공] |
포스텍은 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수, 화학공학과 강송규 박사, 통합과정 김민호 씨 연구팀이 고에너지밀도 전극 소재에 자기장으로 리튬 이온 흐름을 제어해 덴드라이트 형성을 억제하는 차세대 하이브리드 음극 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.
이 연구는 에너지 분야 국제 학술지인 '에너지와 환경과학'에 소개됐다.
리튬금속 음극은 이론상 에너지 저장 용량이 매우 크지만 충전과 방전을 반복하는 과정에서 바늘처럼 자라나는 덴드라이트가 합선을 일으켜 폭발로 이어질 수 있다.
반면 현재 널리 쓰이는 흑연 음극은 용량 한계가 뚜렷해 차세대 기술이 절실한 상황이었다.
자석이 쇳가루를 줄 세우듯 리튬 이온 흐름을 정돈할 때 망간–철 산화물 전환형 음극재 안에 리튬이 들어가면 강자성을 띠는 나노입자가 생기는데 여기에 자기장을 걸면 이 입자들이 작은 자석처럼 배열된다.
이렇게 되면 리튬 이온이 한쪽으로 몰리지 않고 넓게 퍼져 흐른다. 이 과정에서 로렌츠 힘(자기장 속에서 전하가 받을 수 있는 힘)이 작용해 리튬 이온을 넓게 분산시켜 덴드라이트 대신 매끈하고 균일한 리튬 금속층이 쌓인다.
또, 이 음극은 리튬 이온을 산화물 안에 저장하는 방식과 표면에 금속 형태로 쌓는 방식이 동시에 일어나는 '하이브리드형 음극'이다.
덕분에 상용화된 흑연 음극보다 약 4배 높은 저장 용량을 구현했고 덴드라이트 없이 안정적으로 충·방전이 가능했다.
특히, 300회 이상 충·방전 후에도 배터리 안정성을 보여주는 지표인 '쿨롱 효율'이 99% 이상을 기록했다.
김원배 교수는 "이번 방식은 리튬 금속 음극의 가장 큰 약점인 불안정성과 덴드라이트 문제를 한꺼번에 해결할 새로운 접근"이라며 "차세대 배터리 용량·수명·충전속도를 모두 개선할 기반 기술이 될 것"이라고 전했다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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