전기차 주행 1.5배 늘린다' 리튬 대체할 배터리 양극 소재 개발

GIST 연구진 '고용량 바나듐 산화물' 활용…에너지 용량 50% 높여

 

에너지 저장 용량이 기존 대비 약 50% 증가한 고성능 리튬 금속 배터리를 구현해 전기차 주행거리를 획기적으로 늘릴 수 있는 기술이 개발됐다.

9일 광주과학기술원(GIST)에 따르면 신소재공학부 엄광섭 교수 연구팀은 리튬이 존재하지 않는 리튬-프리 소재인 바나듐 산화물을 양극 소재로 사용해 기존 배터리 대비 약 1.5배 증가한 용량을 갖는 리튬 배터리를 개발했다.

'에너지 저장 용량'은 전기자동차 1회 충전 시 주행거리를 좌우하는데, 이번 연구로 개발된 배터리를 활용하면 전기자동차 1회 충전 시 주행거리가 약 50% 증가(기존 대비 약 1.5배)할 것으로 기대된다.

전기자동차에 사용되는 '리튬 배터리'는 기존 흑연 음극을 리튬 금속 음극으로 대체한 배터리다.

가벼우면서도 리튬 금속 음극의 용량이 크고 산화 환원 전위가 낮아 차세대 배터리로 인기를 끌고 있다.

현재 많은 연구에서 리튬 배터리의 양극 소재로 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 철(Fe)의 산화물을 사용하고 있으나, 이러한 기존 양극 소재 용량 증대는 이미 한계에 도달했다고 판단된다.

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

나노 계층 구조 바나듐 산하물
바나듐 산화물 양극과 리튬 금속 음극으로 이루어진 리튬 배터리의 특성과 에너지 저장 용량 비교 [광주과학기술원 제공. 재판매 및 DB 금지]

GIST 연구팀이 활용한 바나듐 산화물 양극 소재는 이론 용량이 기존 전이 금속 산화물 양극 소재 대비 약 1.5~2배 이상 높다.

그러나 배터리 충·방전 과정 동안 구조가 붕괴할 수 있고, 이온·전자 전도성이 낮아 느린 전기화학적 반응 속도를 가졌다는 치명적인 단점이 있었다.

이를 해결하기 위해 연구팀은 새로운 합성법을 이용해 기존 단점을 극복할 나노 플레이트가 층층이 쌓인 바나듐 산화물 양극 소재를 개발했다.

해당 양극 소재는 1차원 나노구조 바나듐 산화물 대비 1.5~2배 이상의 증가한 에너지 저장 용량을 나타냈고, 빠른 충·방전 속도에서도 저장 용량의 감소가 더 적었다.

신규 소재로 개발한 리튬 배터리는 100회의 충·방전 이후에도 약 80%에 달하는 용량 유지율을 확인했다.

연구팀은 완전셀로 구성해 고성능 리튬 배터리를 구현하는 데 성공했는데, 이 배터리는 기존 리튬이온전지 대비 전극 기준 50%(1.5배) 향상된 결과를 얻어냈다.

엄광섭 교수는 "차세대 고에너지 리튬 금속 배터리 개발에서 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대된다"고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 현대자동차와 GIST 차세대에너지연구소의 지원을 받아 수행됐다.

또 연구 성과는 세계적인 재료 분야 저명 학술지인 '스몰(Small)' 2023년 1월 4일 자 전면 표지 논문으로 선정됐다.