연구성과

신소재 강병우 교수팀, 전기차 배터리, 에너지 밀도 높여야 오래 간다

2020-08-03 552

[양이온 상호 확산을 통한 극대화된 산소 이온 반응을 가지는 고성능 리튬 이차전지 개발]

전기차는 배터리에 저장된 전력으로 움직인다. 따라서, 전기차의 주행거리는 연료탱크인 배터리의 용량에 따라 좌우된다. 자동차 배기가스로 인한 환경오염이 문제가 되면서 전기차에 대한 관심도 높아지고 있지만, 장거리 이동을 고려한다면 전기차 구매를 꺼리게 된다. POSTECH 연구팀이 최근 전기차의 주행거리를 늘리면서 값비싼 금속재를 사용하지 않는 고용량 리튬 과량 양극 소재를 선보였다.

신소재공학과 강병우 교수, 통합과정 이정화씨 연구팀은 성균관대 에너지과학과 윤원섭 교수팀과 함께 통해 리튬과 전이금속을 포함한 양이온들의 분포 형태가 전극 물질의 초기 반응 활성화와 가역적 전기화학 반응에 중요한 요인이 되는 것을 처음으로 밝혀냈다. 이를 통해서 리튬과 전이금속의 분포를 조절함으로써 산소 이온 반응을 극대화해 현시점까지 보고된 연구 중에서 가장 높은 에너지 밀도를 구현했다. 이 연구 성과는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스(Advanced Science)’에 최근 게재됐다.

배터리는 전기 에너지를 저장하는 부품으로 가전에서부터 휴대 전기제품까지 배터리는 일상생활의 필수품이 됐다. 그러나 배터리의 용량을 늘리는 일은 그리 간단하지 않다. 배터리가 차지하는 부피와 무게 때문인데, 큰 배터리를 얹으면 공간이 줄어들고, 에너지 효율이 떨어진다. 운동성능도 떨어뜨린다. 결국, 크기가 작고 가벼우면서 전기 에너지를 효율적으로 저장하기 위해서는 배터리의 에너지 밀도를 높이는 것이 관건이다. 지금까지의 배터리 한계를 뛰어넘기 위해서 기존 전이 금속 기반으로 전자를 공급하는 것 이외에 산소 이온 기반의 반응을 통해 추가적인 전자 공급이 가능한 전극 물질이 필요하다.

연구팀은 현재 사용되고 있는 양극 소재보다 더 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬 과량(Li-rich) 양극 소재의 전기화학적 활성도를 극대화할 수 있는 구조적, 화학적 조건을 제시했다. 이를 통해 상용화된 전지에 많이 사용되는 비싼 금속인 코발트(Co)를 사용하지 않고도 많은 에너지를 저장할 수 있는 리튬 과량(Co free 3d-transition metal based Li-rich) 양극 소재를 개발하는 데 성공했다.

또한, 리튬 과량 물질에서 국부적인 구조와 리튬과 전이금속을 포함한 양이온들의 분포 형태가 초기 반응 활성화 및 가역성에 중요한 요인이 되는 것을 밝혀냈다.

이렇게 개발된 물질은 산소 이온 반응의 극대화해 양극 소재 중에서 가장 높은 에너지 밀도인 1100Wh/kg(kg당 1100와트시) 이상의 가역 에너지 밀도를 구현할 수 있다. 기존의 리튬 과량 양극 소재들의 에너지 밀도보다 30% 이상 증가한 수치이다.

뿐만 아니라, 리튬 과량 물질을 사용하는 전지에서 나타나는 전압 강하 문제를 획기적으로 안정화시킬 수 있음을 확인했다. 이번에 개발된 방법에 따르면, 기존의 4.3 mV/cycle씩 낮아지는 전압이 0.6 mV/cycle 로 향상되는 것으로 나타났다.

연구를 수행한 이정화씨는 “이 연구는 차세대 고용량 물질인 리튬 과량 물질에서 리튬과 전이금속의 분포를 조절함으로써 배터리 밀도를 높일 수 있는 새로운 접근법”이라며 “이 소재를 기존 상용화된 양극 소재와 대체해 전기자동차에 적용한다면, 주행거리가 훨씬 늘어날 수 있다”고 말했다.

공동교신 저자인 강병우 교수는 “이번 연구 성과는 차세대 고용량 리튬전지에서 전기화학 반응의 활성도를 획기적으로 향상시켜 사용 가능한 용량을 증가시킬 수 있는 물질 요인들을 제시했다는 것에 큰 의미가 있다”며, “특히 이러한 요인들의 조절을 통해서 비싼 금속 재료를 포함하지 않고, 고용량 리튬전지를 구현할 수 있어 산업에 기여하는 바가 기대된다”고 말했다.

한편, 이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 방사선기술개발사업의 지원으로 수행됐다.