'충전용량 20% 늘린' K-배터리 나오나…KAIST, 소재 개발

머니투데이

한고은 기자

/사진=카이스트

국내 연구진이 같은 배터리에 20% 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 차세대 양극재 소재 개발에 성공했다.

카이스트는 3일 "신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 현재 사용되고 있는 배터리 양극재와 비교해 20% 이상 에너지 밀도가 높고, 안정성을 유지하는 고용량의 리튬 과잉 양극 소재를 개발했다"고 밝혔다.

현재 전기자동차 배터리에는 니켈 함량이 높은 '하이니켈' 양극 소재가 사용되고 있는데, 하이니켈 소재로는 주행거리를 늘리는 데 한계가 있었다.

연구팀은 리튬을 대량으로 함유한 차세대 양극 소재를 개발했다. 리튬 과잉 양극 소재가 갖고 있는 단점은 양극재 표면에 바나듐(V) 이온을 도핑하는 방식으로 해결했다.

리튬 과잉 양극 소재는 첫 충전과 방전 사이에 산화물을 구성하는 산소가 기체가 되면서 양극재의 구조가 붕괴되고, 배터리 성능이 급격히 떨어지는 문제가 있었다. 연구진은 바나듐을 활용해 양극소재 표면의 산소이온이 비가역적으로 산화되는 현상을 억제했다.

/자료=카이스트

바나듐을 도핑한 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충전과 방전 시 81%에 달하는 가역성을 나타냈다. 바나듐을 도핑하지 않은 경우(69%)에 비해 높은 가역성을 보였다. 또 바나듐이 도핑된 리튬 과잉 양극 소재는 100번의 충전·방전 이후에도 92%의 달하는 안정성을 보였다.

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

KAIST 신소재공학과 이용주 박사가 제 1저자로 참여한 이번 연구 논문은 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스'(Advanced Science) 1월 29일자 온라인판에 게재됐다.