↑ 전기차를 충전하고 있는 모습. 현재는 완전 충전에 수십 분 이상이 소요된다. [사진출처 = 연합뉴스] |
왕펑 미국 국립브룩헤이븐연구소(BNL) 책임연구원이 이끈 공동 연구진은 리튬이온배터리의 고속 충전 원리를 새롭게 규명했다고 국제학술지 '사이언스' 28일자에 발표했다. 이번 연구에는 서동화 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수(전 미국 버클리 캘리포니아대 연구원)가 공동 제1저자로 참여했다.
리튬이온배터리는 리튬 이온이 전해질을 통해 음극과 양극 사이를 오가면서 전지의 충·방전이 이뤄지는 방식이다. 따라서 배터리 충전시간을 줄이려면 리튬 이온이 양극과 음극 소재 안에서 빠르게 이동해야 한다.
연구진은 투과전자현미경(TEM)을 이용해 리튬이온배터리 음극 소재 내부의 리튬 이온 움직임을 실시간으로 포착하고, 이를 바탕으로 리튬 이온의 고속 이동 원리를 밝혔다. 연구 결과에 따르면 리튬 이온이 음극 활물질인 리튬-티타늄 산화물을 통과할 때 이 물질의 내부 구조가 변하고, 이 때문에 리튬이온이 빠르게 이동하는 것으로 나타났다. 리튬-티타늄 산화물이 일종의 '고속도로' 역할을 하는 셈이다.
연구진은 또 양자역학 모델 기반의 계산을 통해 전극 내부에서 일어나는 부분적인 구조 변화가 리튬 이온이 움직이는 데 필요한 에너지를 낮춰 준다는 사실도 확인했다. 즉, 리튬 이온이 리튬-티타늄 산화물을 통과할 때는 같은 양의 에너지로 더 빨리 이동할 수 있는 것이다.
서 교수는 "이번 연구 결과는 원자 단위에서 실시간으로 리튬 이온의 이동과 고속 충전 원리를 밝힌 것으로, 향후 충전 속도가 빠른 배터리를 개발하는 데 활용 가능하다"며 "현재 고출력 시 나타나는 발열 현상과 수명 저하 등 상용화를 위해 풀어야 할 문제들에 대한 후속 연구를 진행 중"이라고 말했다.
앞서 이현욱 UNIST 에너지 및 화학공학부 교수와 마우로 파스타 영국 옥스퍼드대 교수 등 공동 연구진은 새로운 고용량 리튬이온배터리 양극 소재인 '이플루
[송경은 기자]
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