전기차 주행거리 1.5배 늘린다... 국내 연구팀, 리튬 배터리 개발

바나듐 산화물 양극과 리튬 금속 음극으로 이루어진 리튬 배터리의 양극 구조에 따른 율속 특성과 에너지 저장 용량 비교. /지스트

지스트(광주과학기술원) 연구팀이 에너지 저장용량을 50% 늘린 리튬 배터리 기술을 개발했다. 이 기술을 활용하면 전기차 1회 충전 주행거리가 50%(기존 대비 1.5배) 증가할 것으로 연구팀은 기대하고 있다.

지스트는 9일 신소재공학부 엄광섭 교수 연구팀이 리튬이 없는(리튬 프리) 소재인 바나듐 산화물에 새로운 합성법을 적용한 양극 소재를 사용, 바나듐 산화물을 활용한 기존 배터리보다 약 1.5배 증가된 용량을 갖는 리튬 배터리를 개발했다고 밝혔다.

전기자동차에 사용되는 리튬 배터리는 기존의 흑연 음극을 리튬 금속 음극으로 대체한 배터리로, 가벼우면서도 리튬 금속 음극의 용량이 크고 산화 환원 전위가 낮아 차세대 배터리로 각광받고 있다. 현재 많은 연구에서 리튬 배터리의 양극 소재로 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 철(Fe)의 산화물을 사용하고 있으나, 기존 양극 소재의 용량 증대는 이미 한계에 도달했다는 평가가 나온다.

지스트 심기연 박사과정생과 엄광섭 교수(왼쪽부터). /지스트

따라서 고에너지 리튬 배터리를 구현하기 위해서 고용량의 새로운 양극 소재의 개발이 필요하며, 상용화를 위해 두꺼운 전극에서도 양극 소재의 성능이 유지되도록 해야 한다.

지스트 연구팀은 기존의 수열합성법에 결정 성장 억제제를 첨가하고 이후 열처리를 진행하는 새로운 합성법을 이용, 나노플레이트가 적층된 계층 나노구조의 바나듐 산화물 양극 소재를 개발했다.

개발된 바나듐 산화물 소재는 구조 내부의 빠른 리튬이온 이동 통로를 효과적으로 제공하고, 리튬이온 이동 거리를 감소시켜 빠른 충·방전 전류 조건에서도 높은 용량 확보가 가능하다고 연구팀은 밝혔다. 뿐만 아니라 견고한 계층 나노구조는 충·방전 과정 동안 안정적으로 구조를 유지하게 해준다.

엄 교수는 “이번 연구 성과는 차세대 고에너지 리튬 금속 배터리 개발에서 고용량 리튬-프리 양극 소재의 중요성과 양극 소재 나노 구조화를 통한 전기화학 반응속도 성능 확보에 대한 새로운 가능성을 제시 할 것으로 기대된다”고 말했다.

엄 교수가 지도하고 심기연 박사과정생이 수행한 이번 연구는 한국연구재단의 중견 연구자 지원사업, 현대자동차 및 지스트 차세대에너지연구소의 지원을 받아 수행됐다. 연구 성과는 재료 분야 저명 학술지 ‘스몰(Small)’에 지난 4일 전면 표지 논문으로 게재됐다.