[첨단 헬로티]

하루 1회 충전 시 7년 동안 성능 감소 없이 사용 가능

광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 엄광섭 교수팀과 건국대 조한익 교수, 미 조지아공대 등 공동 연구팀이 현재 사용되고 있는 리튬이온 배터리보다 용량이 최대 3배 향상된 새로운 리튬이온 배터리를 개발하는 데 성공했다. 이 배터리가 상용화되면 하루에 1회 충전 시 7년 동안 큰 성능 감소 없이 사용 가능할 것으로 기대된다.

현재 상용 리튬이온 배터리의 전극 재료로써 그라파이트(음극)와 리튬금속 산화물(양극)이 사용되고 있다. 두 재료 모두 에너지 저장 용량이 상대적으로 낮으며 현재 기술로는 이론 용량(리튬이온 전지용 전극 물질이 가지는 고유의 최대 리튬 저장량)에 거의 도달해, 전기자동차의 전기 저장 용량을 증가시키는 데 한계에 직면하였다.

전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해서는 많은 양의 배터리를 장착하면 되지만, 차체 무게가 증가하고 자동차 연비가 감소하기 때문에 배터리 추가 장착만으로는 주행거리를 늘리는 데 한계가 있다. 따라서 무게 및 부피당 전기 저장 용량이 큰 새로운 전극재료를 이용해 신규 배터리 개발이 필요한 상황이다.

연구팀은 리튬이온 배터리의 새로운 전극 재료로써 황-금속(몰리브데늄) 화합물에 주목하고 이를 이용해 현재의 리튬이온 배터리의 양극재보다 무게 당 용량이 최대 6배 향상되고(에너지밀도 3배) 충전·방전 2,500회 동안 초기 성능의 90% 이상 유지할 수 있는 새로운 실시간 전기화학적 처리를 개발하였다.

▲ 황-금속 화합물 양극의 실시간 전기화학적 처리를 통한 성능 및 안정성 향상 과정

연구팀은 간단한 공정을 통해 제작 가능한 마이크론 크기의 물질을 이용해 나노 크기의 물질로 전환시켜 배터리의 용량 및 안정성 향상에 집중하였는데, 핵심적인 방법은 전극 활성 물질을 셀 제작 후에 실시간으로 나노 크기로 변환시킬 수 있는 ‘전기화학적 분쇄법’이다.

또한 연구팀은 리튬이온 배터리의 새로운 전극 재료로써 고용량 ‘실리콘 음극’과 ‘황-금속 화합물 양극’에 주목하고, 황-금속 화합물 양극에 전기화학적 처리를 통해 ‘황-금속 화합물 양극’-‘리튬/실리콘 음극’으로 구성된 신규 고용량·고안정성 배터리를 개발하였다.

▲ 전기화학 처리를 진행한 황-금속 화합물 양극의 충‧방전 횟수 당 실제 측정되는 에너지 저장 용량을 보여주는 그래프. 그래프의 검은색 데이터는 충·방전 1회 당 기록된 에너지저장용량(mAh/g)을, 파란색 데이터는 충·방전 에너지 저장 효율을 의미하는데, 약 99.99%이다. 

신규 배터리는 무게 당 저장 용량이 약 1,150mAh/g으로 현재 상용화된 리튬이온 배터리(150~200mAh/g 수준)보다 약 6배 높으며, 사용 전압(1.5 ~ 2.0V)을 고려한 에너지밀도에서는 약 3배 이상 증가함을 확인하였다.

엄광섭 교수는 “이번 연구 성과는 고용량·초저가인 황-금속 화합물 소재를 이용한 새로운 리튬이차전지의 성능 및 안정성을 상용에 가까운 수준으로 향상시켰다는데 가장 큰 의의가 있으며, 향후 추가적인 연구개발을 통해 전기자동차(EV)와 에너지저장 시스템(ESS)으로 상용화함으로써 이차전지 시장의 급격한 성장이 가능하길 기대한다”고 말했다.