전기차 배터리 용량이 1.5배 늘어났다

GIST, 현대차 지원받아 새 배터리 개발
바나듐 산화물로 배터리 양극재 만들어
100회 충방전해도 용량 80%이상 유지

광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 엄광섭 교수팀이 현대차 지원으로 충전 용량이 1.5배 늘어난 전기차 배터리를 개발, 세계적인 재료 분야 저명 학술지 '스몰(Small)'의 표지 논문에 선정됐다. GIST 제공

[파이낸셜뉴스] 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 엄광섭 교수팀이 현대자동차의 지원을 받아 전기차의 주행거리를 1.5배 늘릴 수 있는 고성능 배터리를 개발했다. 이 배터리는 양극에 바나듐 산화물을, 음극에 리튬 금속을 사용해 전기 저장 용량을 592 Wh/㎏까지 증가했다. 이는 기존 배터리 용량인 280Wh/㎏보다 1.5배 많다. 또한 이 배터리는 100회 이상의 충·방전 이후에도 80% 이상의 충전용량을 유지했다.

엄광섭 교수는 9일 "차세대 고에너지 리튬 금속 배터리 개발에서 고용량 리튬-프리 양극 소재의 중요성과 양극 소재 나노 구조화를 통한 전기화학 반응속도 성능 확보에 대한 새로운 가능성을 제시했다"고 말했다.

지금까지 많은 연구에서 리튬 배터리의 양극 소재로 코발트와 니켈, 망간, 철의 산화물을 사용했지만, 이 소재로는 이미 용량 증대 한계에 도달했다고 평가되고 있다. 따라서 한계 용량을 뛰어넘기 위해 새 소재 개발이 필요하며, 두꺼운 전극에서도 출력 성능이 유지돼야 한다.

광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 엄광섭 교수(오른쪽)와 심기연 박사과정생이 충전용량을 1.5배 늘린 전기차 배터리를 개발했다. GIST 제공

연구진은 리튬이 존재하지 않는 리튬-프리 소재인 바나듐 산화물을 양극에 사용했다. 바나듐 산화물로 만든 배터리가 충방전때 구조 붕괴와 반응속도 감소를 막기 위해 결정 성장 억제제를 첨가하고 새로운 합성법으로 양극을 만들었다. 이렇게 만든 바나듐 산화물 양극은 구조 내부의 빠른 리튬이온 이동 통로를 효과적으로 만들고, 리튬이온 이동 거리를 감소시켜 빠른 충·방전 전류 조건에서도 높은 용량 확보가 가능게 했다. 또한 나노플레이트가 적층된 견고한 계층 나노구조는 충·방전때 안정적으로 구조를 유지하게 해준다.

이렇게 만든 양극 소재는 기존 1차원 나노구조 바나듐 산화물 대비 에너지 저장용량이 1.5~2배 이상 증가됐다. 또, 소재 내부 리튬이온의 확산거리가 줄고, 확산속도가 증가해 빠른 충·방전 속도에서도 저장 용량이 줄어드는 것을 막았다.

연구진은 양극 소재와 리튬 금속 음극을 완전셀로 결합해 고성능 리튬 배터리를 만드는 데 성공했다. 이 양극을 활용해 만든 배터리를 충방전 테스트한 결과, 100회의 충·방전 이후에도 약 80%에 달하는 용량을 유지했다. 또한 두께가 증가된 전극의 배터리는 양극 소재의 독특한 구조 덕분에 성능을 유지했으며, 양쪽 전극 무게 기준으로 무게당 에너지밀도가 592Wh/㎏에 달했다. 이는 기존 리튬이온전지 대비 전극 기준 1.5배 향상된 결과다.

한편, 엄광섭 교수가 지도하고 심기연 박사과정생이 진행해 개발한 배터리는 세계적인 재료 분야 저명 학술지 '스몰(Small)' 지난 4일 전면 표지 논문으로 발표됐다.
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