리튬이온 전지 성능향상 길 열렸다

리튬이온 전지 사용시간을 향상시킬 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 3일 한국연구재단에 따르면 김동철 기계공학과 교수팀은 최근 전지의 양극(+)을 구성하는 금속재료를 작은 구멍(공극)을 갖는 다공성 구조로 설계할 때 이들 구멍의 분포가 리튬이온 전지 성능에 큰 영향을 미칠 수 있다고 밝혀냈다.
연구 결과 다공성 구조로 양극재를 설계하면 리튬이온 전지 성능인 비용량(단위 무게당 전지 용량)이 크게 늘어나는 것으로 나타났다. 특히 고출력 사용 조건에서 비용량 손실은 다공성 구조 양극재의 경우 기존 단순 구형의 양극재를 사용했을 때보다 최대 98%까지 줄어드는 것으로 밝혀졌다. 또 충·방전을 거듭함에 따라 나타나는 비용량 손실 역시 단순 구형 양극재의 경우 30% 정도 비용량 손실을 보였지만 공극률 설계를 통해 이를 1% 정도 더 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다.
연구팀은 다공성 구조를 설계할 때 공극이 균일하게 분포하지 않으면 오히려 전지 성능에 악영향을 끼칠 수 있음을 알아냈다. 공극이 특정 부위에 몰려 불균일한 분포를 갖는 양극재의 경우 공극률을 20%에서 40%로 늘려도 비용량은 오히려 20% 감소하는 것으로 나타났다.
이번 연구는 그동안 실험 중심으로 수행된 리튬이온 전지 설계 연구를 최초로 다양한 양극재 현상에 대한 이론적 수학식을 만들어 컴퓨터 시뮬레이션한 결과를 보고했다는 점에서 주목된다. 이론 연구에 기반한 시뮬레이션이 이뤄져 그동안 많은 비용과 시간이 요구되던 실험 중심 연구의 어려움이 해결되고 간단하면서도 빠르게 리튬이온 전지 성능 분석이 가능해졌다.
김 교수는 "전기자동차나 첨단 의료장비의 경우 에너지 소비가 크기 때문에 고성능 에너지 공급원이 필요하다"며 "이번 연구 결과는 향후 자동차나 의료, 모바일 산업 등에 적용될 수 있을 것"이라고 말했다. 이번 연구 결과는 최근 국제 학술지 '사이언티픽 리포트'에 게재됐다.
[서진우 기자]