급속 충·방전 300회에도 끄덕 없는 전기차용 배터리 신소재 나와

↑ 오시형 KIST 에너지융합연구단 박사 [사진제공 = KIST]

2분 이내 급속 충·방전을 300차례 이상 해도 처음 성능을 그대로 유지하는 전기자동차용 배터리 신소재가 나왔다. 전기차를 고속 충전할 경우 배터리 성능이 떨어지고 수명이 짧아지는 문제를 해결할 수 있게 됐다.
4일 한국과학기술연구원(KIST) 에너지융합연구단 오시형 박사 연구팀과 최장욱 서울대 교수 공동 연구진은 빠른 충전이 가능하고 전지 성능(에너지밀도) 저하가 없는 고출력·장수명의 전지를 개발했다고 밝혔다. 고용량 배터리의 양극(+)재로 사용되는 '과리튬망간 전이금속 산화물(LMR)' 소재에 나노미터 크기의 고이온전도성 표면층을 생성해 배터리 수명이 짧아지거나 전극이 파괴되는 것을 막았다. 이 표면층이 소재 내부로 리튬이온을 원활히 전달해 전기화학적 성능을 향상시켰다는 설명이다.
LMR 소재는 다른 양극재보다 용량이 크고 안전한 소재로 꼽힌다. 이론적으로는 용량이 250 mAh/g 이상으로 상용 양극재보다 약 1.5배 높다. 그러나 충·방전을 반복하다보면 결정구조가 점점 불안정해지면서 실제로는 이 같은 용량을 달성하기 어렵다는 한계가 있었다.
연구진은 이 같은 문제를 해결하면서도 빠른 리튬이온전달이 가능하도록 표면을 형성하는 새로운 기술을 개발했다. 단 한 번의 공정으로 이온 전도도가 높은 지르코늄 혼화산화물을 가지고 LMR 표면에 1~2나노미터 코팅층을 덮었다. 이후 실험한 결과, 2분 이내 고속 충·방전을 300회 이상 실시해도 배터리가 원래 성능을 그대로 유지했다. 오시형 박사는 "향후 전기자동차 배터리에 적용하면 충전 시간을 줄이고 주행거리를 늘리며, 제조 공정을 간단하게 만들 것으로 기대된다"며 "다른 에너지저장시스템(ESS)에 응용 가능한 전극 소재 개발에도 새로운 해법을 제시할 것"이라고 말했다.
이번 연구는 국제학술지 'Nano Letters'에 11월 16일 온라인 게재됐다.
[김윤진 기자]