KAIST, 전기車 배터리 용량 20%↑ 소재 개발

그림 제공=한국과학기술원(KAIST)

[아시아경제 김봉수 기자] 한국과학기술원(KAIST)은 현재보다 20% 이상 전기를 더 많이 저장할 수 있는 배터리 소재를 개발했다고 3일 밝혔다.

이 학교 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 현재 사용되고 있는 배터리 양극재와 비교해 20% 이상 에너지 밀도가 높으면서 안정성을 유지하는 고용량의 리튬 과잉 양극 소재를 찾아 낸 것이다.

현재 전기자동차 배터리에는 니켈 함량이 높은 `하이니켈(Ni)' 양극 소재가 사용되고 있다. 배터리 양극 소재는 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn)의 산화물인데, 니켈의 함량이 높을수록 용량이 높다(200mAh/g).

문제는 하이니켈 양극 소재로는 주행거리 향상에 한계를 드러내고 있다는 점이다. 이에 연구팀은 하이니켈 양극 소재의 대안으로 리튬 과잉 양극 소재를 제안했다. 리튬 과잉 양극 소재는 리튬이 과량으로 함유된 차세대 양극 소재로, 저장된 리튬의 양이 많아 가용 용량이 250mAh/g 에 달해, 기존 하이니켈 양극 소재보다 20% 많은 에너지를 저장할 수 있다.

다만 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충전과 방전 사이에 산화물을 구성하고 있는 산소가 기체가 돼 비가역적으로 추출되는 반응이 일어난다. 이에 따라, 산화물 양극재의 구조가 붕괴되고 배터리 성능이 급격히 감소해 사용되지 못하고 있다.

조은애 교수 연구팀은 비가역적 산소 반응이 주로 발생하는 양극재 표면에 선택적으로 바나듐(V) 이온을 도핑하는 기술을 개발해 리튬 과잉 양극 소재의 안정성을 높이는 데 성공했다. 리튬 과잉 양극 소재가 첫 충·방전에서 69%의 낮은 가역성을 갖지만, 바나듐을 도핑한 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충·방전 시 81%에 달하는 높은 가역성을 나타냈으며, 100 사이클의 충·방전 이후에도 92%에 달하는 안정성을 확인했다.

조은애 교수는 "도핑된 바나듐 이온이 양극 소재 내 산소 이온의 전자구조를 변화시켜 충·방전 시 가역적인 산화·환원 반응이 가능하게끔 했다?고 설명하며 "전체 공정이 비교적 간단해서 대량생산에도 적합하다?고 말했다.

이같은 연구 결과는 지난 1월29일자로 재료 분야 저명 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' 온라인에 게재됐다.