"전기차 주행거리 더 늘어난다" 배터리 용량 20% 높은 소재 KAIST서 개발

국내 연구팀이 전기자동차 주행거리를 늘릴 수 있는 차세대 고용량 배터리 소재를 개발했다.

KAIST는 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 현재 사용되고 있는 배터리 양극재와 비교해 20% 이상 에너지 밀도가 높으면서 안정성을 유지하는 고용량의 리튬 과잉 양극 소재를 개발했다고 3일 밝혔다. 

현재 전기자동차 배터리에는 니켈 함량이 높은 '하이니켈(Ni)' 양극 소재가 사용되고 있다. 그러나 하이니켈 양극 소재로는 주행거리 향상에 한계를 드러내고 있으며, 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/g에 달해, 기존 하이니켈 양극 소재보다 20% 많은 에너지를 저장할 수 있다. 

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 하였다"고 설명하며 "전체 공정이 비교적 간단해서 대량생산에도 적합하다"고 말했다.

이 같은 차세대 고용량 배터리 소재 개발은 같은 무게에 더 많은 에너지를 저장해 주행거리를 늘릴 수 있는 기술을 차세대 전기차에도 도입될 수 있을 것으로 기대된다.