국내 연구팀이 현재 사용되는 전기차 배터리와 비교해 20% 이상 에너지 밀도가 높으면서 안정성을 유지하는 고용량의 '리튬 과잉 양극 소재'를 개발했다.
전기차의 최대 단점은 상대적으로 짧은 주행거리다. 주행거리를 늘리기 위해서는 배터리를 많이 탑재해야 하는데, 이는 차체의 무게와 가격을 증가시키는 문제가 있다. 이에 따라 같은 무게에 더 많은 에너지를 저장해 주행거리를 늘릴 수 있는 고용량 배터리 개발이 과제다.
한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 조은애 교수팀이 기존 리튬이온 배터리보다 리튬을 많이 넣어 용량을 높인 양극 소재를 개발했다고 3일 밝혔다. 연구팀은 "전체 공정이 비교적 간단해서 대량생산에도 적합한 배터리 신소재를 개발했다"며 "전기차에 적극 응용할 수 있다"고 설명했다.
현재 전기차 배터리에는 니켈 함량이 높은 '하이니켈' 양극 소재가 사용되는데, 1g당 용량이 200mAh(밀리암페어시)이다.
연구팀은 이 소재보다 25% 많은 에너지를 저장할 수 있는 리튬 과잉 양극 소재를 대안으로 제시했다.
하지만 연구팀이 개발한 리튬 과잉 양극 소재는 안정성이 떨어진다는 문제가 있다. 첫 충전과 방전 사이 시기에 산화물을 구성한 산소가 돌이킬 수 없는(비가역적인) 환원 반응을 일으키면서 빠져나간다. 이렇게 되면 산화물 양극재의 구조를 무너뜨리고 배터리 성능을 떨어뜨린다.
연구팀은 양극 소재 표면에 바나듐 이온을 첨가해 문제를 해결했다. 그 결과 리튬 과잉 양극 소재의 안정성을 높이게 됐다.
리튬 과잉 양극 소재가 첫 충·방전에서 69%의 낮은 가역성을 갖지만, 바나듐을 도핑한 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충·방전 시 81%에 달하는 높은 가역성을 나타냈으며, 100번 이상의 충·방전 이후에도 92%에 달하는 안정성을 확인했다.
동대 이용주 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구 결과는 재료 분야 저명 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스' 1월 29일자 온라인판에 게재됐다.
KPI뉴스 / 김혜란 기자 khr@kpinews.kr
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