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한 번 충전으로 300km 가는 전기車 배터리 개발

GIST 엄광섭 교수·MIT 전자공학연구소 이정택 박사 공동연구

맛있는 과학 머니투데이 류준영 기자 |입력 : 2017.01.10 09:21|조회 : 9214
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개발된 신규 배터리의 안정성 향상을 위한 아이디어에 대한 간략한 모식도. 일반적인 경우, 실리콘-황 배터리는 충‧방전 과정에서 실리콘 음극 재료가 부피 팽창에 의해 나노 크기로 부서지는 현상이 일어나고, 황 전극에서 합성된 황화합물(polysulfide)에 의해 실리콘 음극이 오염돼 성능 감소가 매우 심하다(왼쪽 방향). 본 연구의 핵심 아이디어는 이러한 성능 감소를 막기 위해 황 전극에 전기 및 이온 전도도가 높은 셀레니움을 첨가, 자발적으로 셀레니움-리튬 화합물이 실리콘 음극에 코팅됨으로써 실리콘의 전도도도 지속적으로 확보하는 것이다(오른쪽 방향). 이를 통해 실리콘 음극 및 황 양극 모두 안정성을 향상시키는 상호 긍정 효과(시너지 효과)를 볼 수 있었다/자료=GIST
개발된 신규 배터리의 안정성 향상을 위한 아이디어에 대한 간략한 모식도. 일반적인 경우, 실리콘-황 배터리는 충‧방전 과정에서 실리콘 음극 재료가 부피 팽창에 의해 나노 크기로 부서지는 현상이 일어나고, 황 전극에서 합성된 황화합물(polysulfide)에 의해 실리콘 음극이 오염돼 성능 감소가 매우 심하다(왼쪽 방향). 본 연구의 핵심 아이디어는 이러한 성능 감소를 막기 위해 황 전극에 전기 및 이온 전도도가 높은 셀레니움을 첨가, 자발적으로 셀레니움-리튬 화합물이 실리콘 음극에 코팅됨으로써 실리콘의 전도도도 지속적으로 확보하는 것이다(오른쪽 방향). 이를 통해 실리콘 음극 및 황 양극 모두 안정성을 향상시키는 상호 긍정 효과(시너지 효과)를 볼 수 있었다/자료=GIST


현 상용화된 전기자동차는 한 번 충전으로 약 150km 정도를 주행할 수 있다. 이 주행거리를 2배 이상 늘린 새로운 리튬이온 배터리가 개발됐다.

광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 엄광섭 교수, MIT 전자공학연구소 이정태 박사로 이뤄진 공동연구팀이 기존 리튬이온 배터리보다 용량은 4배, 수명은 2배 이상 늘어난 새로운 리튬이온 배터리를 개발했다고 10일 밝혔다.

연구팀은 이 배터리가 상용화되면 1회 충전할 때 전기차의 최대 주행거리가 약 300㎞까지 늘어난다고 설명했다. 또 휴대폰 배터리에 적용할 경우, 수명은 2배 가량 늘리면서 무게는 절반 수준으로 줄일 수 있다고 덧붙였다.

연구팀에 따르면 현 상용 리튬이온 배터리의 전극 재료는 그라파이트(음극)와 리튬금속산화물(양극)이다. 두 재료 모두 에너지 저장 용량이 상대적으로 낮다. 현 기술력으로는 이론 용량(최대 리튬 저장량)에 거의 도달, 주로 단거리 주행용으로 사용되고 있는 전기차의 전기 저장 용량을 증가시키는 데 한계가 있다.

전기차 주행거리를 늘리기 위해선 배터리를 추가로 장착하면 되지만 무게가 증가해 차 연비가 감소하게 된다. 새로운 전극재료를 이용한 신규 배터리 개발이 필요한 이유다.

엄광섭 교수/사진=GIST
엄광섭 교수/사진=GIST
연구팀은 리튬 ·실리콘(음극)과 황·셀레니움(양극)을 이용해 현 리튬이온 배터리보다 무게 당 용량이 4배 이상 많고, 수명이 2배 이상 긴 신규 리튬이온 배터리를 개발했다.

신규 리튬이온 배터리는 무게당 저장 용량이 약 500mAh/g으로 기존 리튬이온 배터리(100~150 mAh/g 수준)보다 약 4배, 사용 전압을 고려한 에너지 밀도에서는 약 2배 이상 증가했다. 이 배터리를 휴대폰에 사용할 경우, 4년 간 이용자가 성능 감소(20% 미만)를 크게 느끼지 못할 정도이다.

엄 교수는 “첨가물 종류와 양의 조절, 전해질 안정성 연구 등의 후속 연구를 통해 용량을 1.5배, 수명을 2배 이상 추가로 향상시킬 수 있을 것"이라고 말했다.

류준영
류준영 joon@mt.co.kr twitter facebook

※미래부 ICT·과학 담당

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