'전기차 운행거리를 늘려라'..'리튬 과잉 소재' 개발

KAIST, 용량 20% 높인 배터리 양극 소재 개발
바나듐 이온 도핑해 안정성과 에너지밀도 높여

전기차 배터리의 수명을 늘릴 수 있는 새로운 양극 소재가 개발됐다.

KASIT는 조은애 교수 연구팀이 기존 배터리 양극재와 비교해 20% 이상 에너지밀도가 높으면서 안정성을 유지하는 '리튬 과잉 양극소재'를 개발했다고 3일 밝혔다.

전기차 주행거리를 늘리려면 배터리를 많이 탑재해야 하는데, 이는 차체 무게와 가격을 높이는 원인이 된다.

현재 전기차 배터리에는 니켈 함량이 높은 '하이니켈' 양극 소재가 쓰이고 있는데, 니켈 함량이 높을수록 용량이 크다. 하지만, 하이니켈 양극 소재는 주행거리 향상에 한계가 있어 대안으로 '리튬 과잉 양극 소재'가 주목받고 있다.

리튬 과잉 양극 소재는 리튬이 과량으로 함유된 차세대 양극 소재로, 저장된 리튬의 양이 많아 가용 용량이 1g당 200밀리암페이시(mAh)로, 기존 하이니켈 양극 소재보다 20% 더 많은 에너지를 저장할 수 있다.

하지만, 첫 충전과 방전 사이에 산화물을 구성하고 있는 산소가 기체가 돼 비가역적 반응으로 양극 소재의 구조가 붕괴되면서 배터리 성능이 급격히 떨어지는 한계가 있다.

연구팀은 비가역적 산소 반응이 주로 발생하는 양극재 표면에 바나듐 이온을 도핑해 리튬 과잉 양극 소재의 안정성을 높였다. 리튬 과잉 양극 소재가 첫 충방전에서 69%의 낮은 가역성을 갖지만, 바나듐을 도핑했을 때 81%의 높은 가역성을 나타냈다. 또 100사이클의 충방전 이후에도 92%에 달하는 안정성을 확보했다.

조은애 KAIST 교수는 "도핑된 바나듐 이온이 양극 소재 내 산소 이온의 전자구조를 변화시켜 충방전 시 가역적 산화 환원 반응이 가능하도록 돕는 원리로 개발했다"며 "배터리의 수명 향상에 기여할 것으로 기대한다"고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스(지난 1월 29일자)' 온라인판에 실렸으며, 한국연구재단과 KAIST 글로벌 특이점 연구사업의 지원을 받아 연구가 수행됐다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr