한 번 충전으로 630km 달리는 '무음극 배터리' 개발됐다

포스텍·울산과학기술원 공동연구

왼쪽부터 박수진 포스텍 화학과 교수, 서동화 UNIST 에너지화학공학과 교수. 포스텍 제공

국내 연구진이 1회 충전으로 전기차를 최대 630km를 달리게 할 수 있으면서 음극재가 없는 배터리를 개발했다.

포스텍(POSTECH)은 박수진 화학과 교수와 서동화 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수 공동 연구팀이 오랫동안 사용할 수 있는 무음극 배터리를 개발했다고 27일 밝혔다.

음극재는 배터리를 충전할 때 양극에서 나오는 리튬이온을 음극에서 받아들이는 소재다. 일반적인 배터리는 충전과 방전을 거듭할 때 리튬이온이 드나들면서 음극재의 구조가 바뀐다. 이는 시간이 지날수록 배터리의 용량이 줄어드는 원인이 된다.

앞서 학계에선 음극재 없이 음극 집전체만으로 충전과 방전을 한다면 배터리 용량을 결정짓는 에너지 밀도를 높일 수 있는 것으로 여겨졌다. 하지만 리튬을 안정적으로 저장하는 저장체가 없는 음극만을 사용하는 이 방식은 음극의 부피가 팽창하면서 배터리의 수명이 악화된다는 단점이 있었다.

연구팀은 음극 집전체만으로 기능하는 배터리를 만들기 위해 무음극 배터리에 이온 전도성 기판을 더한 뒤 카보네이트 용매 기반 액체 전해질에서 구현했다. 이 기판은 음극 보호층을 형성하고 음극의 부피 팽창을 최소화하도록 돕는 역할을 했다.

이렇게 만들어진 무음극 배터리는 고용량, 고전류밀도로 오랫동안 높은 용량을 유지하는 것으로 나타났다. 무음극 배터리의 부피당 에너지 밀도는 1리터(L)당 977와트시(Wh‧전력량의 단위)로 기존 상용화된 배터리의 부피당 에너지 밀도 1리터당 700와트시보다 약 40% 높았다.

실혐 결과 이 배터리를 사용한 전기차는 1회 충전으로 630km를 나아갈 수 있었다. 기존 상용화된 배터리는 1회 충전으로 450km 정도 주행이 가능했다.

관련 연구 결과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스’에 14일 발표됐다. 

[박정연 기자 hesse@donga.com]