KAIST, 고용량 차세대 배터리 수명 향상 소재 개발...고가역성·안정성 확보

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조은애 교수팀, 전기차 주행거리 향상
"전체 공정 간단해 대량생산에도 적합"

전기자동차는 주행거리 측면에서 기존 차량 대비 약세를 보인다. 그렇다고 주행거리를 늘리기 위해 배터리를 많이 탑재하면 차체 무게와 가격이 늘어난다. 같은 무게에 더 많은 에너지를 저장, 주행거리를 늘리는 고용량 배터리 개발이 시급한 상황이다.

한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 조은애 신소재공학과 교수팀이 현재 사용되는 배터리 양극재와 비교해, 20% 이상 에너지 밀도가 높으면서 안정성을 유지하는 고용량 리튬 과잉 양극 소재를 개발했다고 3일 밝혔다.

바나듐 이온 도핑 전후 양극소재의 모식도(이미지 상단)와 도핑된 양극소재의 실제 투과 현미경 이미지 및 조성 분포도(하단)
<바나듐 이온 도핑 전후 양극소재의 모식도(이미지 상단)와 도핑된 양극소재의 실제 투과 현미경 이미지 및 조성 분포도(하단)>

현재 전기자동차 배터리에는 니켈 함량 높은 '하이니켈' 양극 소재가 사용된다. 배터리 양극 소재는 코발트, 니켈, 망간 산화물인데 니켈의 함량 높을수록 용량이 높다. 그러나 하이니켈 양극 소재로는 주행거리 향상에 한계가 있다.

연구팀은 대안으로 리튬 과잉 양극 소재를 제안했다. 리튬 과잉 양극 소재는 리튬이 과량 함유된 차세대 양극 소재다. 저장 리튬 양이 많아 가용 용량이 250mAh/g 에 달한다. 기존 하이니켈 양극 소재보다 20% 많은 에너지를 저장할 수 있다.

그러나 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충전과 방전 사이 산화물을 구성하는 산소가 기체가 돼 추출되는 반응이 일어난다. 산화물 양극재의 구조가 붕괴되고 배터리 성능이 급격히 감소하는 문제가 있다.

연구팀은 이런 반응이 주로 발생하는 양극재 표면에 선택적으로 바나듐 이온을 도핑하는 기술을 개발, 리튬 과잉 양극 소재 안정성을 높이는 데 성공했다. 리튬 과잉 양극 소재가 첫 충·방전에서 69% 낮은 가역성(원래 상태로 돌아가는 성질)을 갖지만, 바나듐 도핑 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충·방전 시 81%에 달하는 고가역성을 나타냈다. 100 사이클의 충·방전 이후에도 92%에 달하는 안정성을 확인했다.

KAIST 신소재공학과 조은애 교수
<KAIST 신소재공학과 조은애 교수>

조은애 교수는 “도핑된 바나듐 이온이 양극 소재 내 산소 이온의 전자구조를 변화시켜 충·방전 시 가역적인 산화·환원 반응이 가능하게끔 했다”며 “전체 공정이 비교적 간단해서 대량생산에도 적합하다”고 말했다.

대전=김영준기자 kyj85@etnews.com