[과학을 읽다]전기차 '쌩쌩~'…배터리에 달렸다

국내 연구팀, 2분 이내에 충·방전할 수 있는 양(+)극재 소재 개발

▲전기자동차 충전소.[사진=아시아경제DB]

[아시아경제 정종오 기자] 전기자동차를 앞으로 5년 이내에 길거리에서 흔하게 볼 수 있을 것으로 기대됩니다. 아직 배터리 수준이 여물지 못해 상용화에 어려움이 없진 않습니다. 배터리를 충전하는데 시간이 많이 걸립니다. 충전하더라도 달릴 수 있는 거리가 길지 않습니다.

국내 연구팀이 이 같은 문제를 해결할 수 있는 실마리를 제시해 관심을 모으고 있습니다. 배터리의 성능과 가격을 결정하는 핵심 중 하나는 양(+)극재입니다. 양극재와 음(-)극재 모두 중요한데 양극재는 배터리의 용량과 성능을 좌우합니다.

전기자동차의 동력원인 리튬이온전지의 용량을 키우고 충전시간을 줄이는 데 높은 관심이 쏠립니다. 빠른 충전 속도가 가능하고 전지의 성능(에너지밀도) 저하가 없는 고출력, 긴 수명의 전지를 개발하는 게 중요합니다. 연구팀이 고용량과 고출력 특성의 새로운 양극재를 개발해 전기자동차 배터리 성능을 향상시킨 결과를 발표했습니다.

연구팀은 고용량 배터리의 양극재로 사용되는 과리튬망간 전이금속 산화물(LMR, Lithium- and Manganese-Rich nickel-cobalt-manganese oxide) 소재에 나노미터 크기의 고이온전도성 표면층을 생성해 표면 열화 현상을 극복한 새로운 양극재 개발에 성공했습니다.

차세대 양극재로 주목받고 있는 LMR 소재는 다른 상용화 양극재보다 에너지밀도가 높고 안전한 소재입니다. 문제는 충·방전 간 결정구조가 불안정해지는 현상으로 상용화 적용에 한계가 있었습니다. 이 같은 현상은 주로 양극재 입자의 표면에서 일어나는데 표면 특성의 제어는 LMR 소재의 상용화를 좌우하는 핵심요소입니다.

연구팀은 LMR 양극재 표면을 안정화하고 빠른 리튬이온전달을 가능하게 하는 표면구조를 형성하는 새로운 기술을 내놓았습니다. 쉽고 간편한 한 번의 공정으로 이온전도도가 높은 지르코늄 혼합산화물을 LMR 표면에 1~2 나노미터 코팅층으로 만들었습니다. 표면에서 원활한 리튬이온 확산이 가능하게 하고 소재의 열화 현상을 억제하는데 성공했습니다.

이번에 개발된 '수 나노미터 크기의 지르코늄 함유 혼합전이금속 산화층'이 생성된 양극재는 2분 이내의 고속 충·방전을 300회 이상 실시해도 초기의 우수한 특성을 그대로 유지했습니다. 이는 고용량과 고출력이 동시에 가능한 소재로 전기자동차 배터리에 적용했을 때 충전 시간을 단축하고 주행거리는 높일 수 있습니다.

리튬이온배터리는 현재 스마트폰, 노트북컴퓨터 등 소형 전자기기의 전원으로 사용되고 있습니다. 전기자동차, 중·대형 전력저장시스템(ESS) 등으로 적용 영역이 점차 확대되고 있습니다. 배터리의 성능과 가격을 결정하는 주요 인자 중 하나인 양극재의 개발 현황을 보면 '니켈-코발트-망간'을 포함하는 전이금속산화물인 NCM, 높은 에너지밀도를 가진 '니켈-코발트-알루미늄' 산화물인 NCA, '리튬과 망간'을 과량 포함하는 산화물인 LMR 등이 주목 받고 있습니다.

이번 연구는 한국과학기술연구원(KIST) 에너지융합연구단 오시형 박사 연구팀이 서울대 최장욱 교수 연구팀과 공동연구를 통해 수행했습니다. 제 1저자인 안주현 KIST 박사는 "배터리 용량과 성능을 좌우하는 양극재 소재를 개발한 것"이라며 "추가 연구를 통해 상용화될 수 있도록 노력하겠다"고 말했습니다.

한편 연구 결과는 나노기술 분야 국제학술지인 'Nano Letters' 11월16일자 온라인(논문명:Nanoscale zirconium-abundant surface layers on lithium- and manganese-rich layered oxides for high-rate lithium-ion batteries)에 실렸습니다.