韓 연구진, 고용량 배터리 개발… “전기차 주행거리 1.5배 늘린다”

엄광섭 GIST 신소재공학부 연구팀

전기차의 주행 거리를 50% 늘릴 수 있는 배터리를 개발한 광주과학기술원(GIST) 연구진. 왼쪽부터 심기연 신소재공학부 박사과정 연구원, 엄광섭 교수. /광주과학기술원

국내 연구진이 전기차의 가장 큰 문제점으로 알려진 배터리 에너지 용량의 한계를 50% 늘릴 수 있는 기술을 개발했다. 이번 배터리를 사용하면 전기차의 1회 충전 시 최대 주행거리도 50% 이상 늘릴 수 있을 것으로 기대된다.

광주과학기술원(GIST)은 “엄광섭 신소재공학부 교수 연구진이 차세대 양극 소재로 주목받는 바나듐 산화물의 구조를 개선해 리튬이온배터리보다 에너지 저장 용량과 밀도를 높인 새로운 배터리를 개발한 연구 결과를 발표했다”고 9일 밝혔다. 연구 결과는 지난 4일 국제 학술지 ‘스몰(Small)’에 실렸다.

전기차에 주로 쓰이는 리튬이온배터리의 양극은 리튬 금속, 음극은 흑연이 쓰이고 있다. 배터리의 에너지 저장 용량은 양극과 음극에 쓰이는 소재에 따라서 결정되는 만큼, 리튬이온배터리의 에너지 저장 용량을 높이려면 양극과 음극에 쓰일 소재를 새로 개발해야 한다. 최근에는 흑연 음극을 리튬으로 바꾼 ‘리튬배터리’가 차세대 배터리로 활발히 연구되고 있다.

그러나 리튬배터리에 쓸 수 있는 양극 소재인 코발트, 니켈, 망간, 철 등은 이미 용량 증가 효과가 한계에 도달해 전기차의 주행 거리를 늘리기 위한 방법으로는 활용하기 어려운 상황이다. 최근 주목받는 바나듐 산화물은 다른 양극 소재보다 에너지 저장 용량이 1.5~2배 높지만, 구조 안전성이 낮아 충전과 방전 과정에서 손상이 생길 수 있고, 전기화학 반응 속도가 느리다는 단점이 있다.

광주과학기술원(GIST) 연구팀이 개발한 바나듐 산화물을 이용한 리튬 배터리의 구조와 실험 결과. 연구팀은 얇은 판 형태인 나노플레이트가 쌓인 구조를 개발해 실험한 결과, 에너지 저장 효율과 밀도가 개선되는 것을 확인했다. /광주과학기술원

GIST 연구진은 바나듐 산화물의 단점을 해결하기 위해 안정적인 구조를 만들 수 있는 새로운 합성법을 개발했다. 고온·고압에서 결정 성장을 억제하는 물질을 넣어 얇은 판 형태인 나노플레이트가 쌓인 나노 계층 구조를 만드는 방법이다.

이렇게 만들어진 바나듐 산화물은 구조 안전성이 높고, 리튬 이온의 이동 거리가 짧아져 기존 바나듐 산화물보다 에너지 저장 용량이 1.5~2배 커졌다. 또 충전과 방전을 100번 반복한 이후에도 최대 에너지 저장 용량의 80%를 유지해, 기존 바나듐 산화물이 같은 조건에서 에너지 저장 용량이 60%로 떨어지는 것과 비교해 우수한 성능을 나타냈다.

연구진은 전해질을 비롯해 다른 소재를 최적화할 수 있다면 배터리의 에너지 밀도가 1㎏당 400와트시(Wh)로, 리튬이온배터리의 최대 에너지 밀도로 알려진 1㎏당 280Wh보다 40~50% 높일 수 있을 것으로 전망했다. 엄 교수는 “차세대 고에너지 리튬배터리 개발에서 양극 소재의 중요성을 보였다”며 “양극 소재 새로운 구조를 통해 전기화학 반응속도 성능 확보에도 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대된다”고 말했다.

참고자료

Small, DOI : https://doi.org/10.1002/smll.202205086

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