KAIST 고용량·장수명 차세대 배터리 소재 개발… 전기차 응용 기대

신소재공학과 조은애 교수팀 리튬 과잉 양극 소재 개발 성공
기존보다 20% 이상 저장 가능… 공정 간단해 대량생산 적합

전기차 상용화를 위한 고용량 배터리 개발이 시급한 가운데 국내 연구진이 현재 상용화된 배터리보다 20% 저장 성능이 뛰어난 차세대 배터리 소재 개발에 성공했다. 리튬의 양을 늘려 배터리 성능을 높인 것으로 바나듐 이온 도핑이 소재 안전성을 높이는 사실을 확인했다. 

3일 KAIST에 따르면 신소재공학과 조은애 교수 연구팀은 현재 사용되고 있는 배터리 양극재와 비교해 20% 이상 에너지 밀도가 높으면서 안정성을 유지하는 고용량의 리튬 과잉 양극 소재를 개발했다.

현재 전기자동차 배터리에는 니켈 함량이 높은 하이니켈 양극 소재가 사용되고 있다. 배터리 양극 소재는 코발트·니켈·망간의 산화물인데, 니켈의 함량이 높을수록 용량이 높다. 그러나 하이니켈 양극 소재로는 주행거리 향상에 한계가 있어 연구팀은 이 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. 연구팀은 리튬 과잉 양극 소재의 한계점으로 꼽히는 산화물 양극재의 구조 붕괴와 배터리 성능 감소를 해결했다. 비가역적 산소 반응이 주로 발생하는 양극재 표면에 선택적으로 바나듐 이온을 도핑하는 기술을 통해 리튬 과잉 양극 소재의 안정성을 높이는 데 성공한 것이다.

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 나타냈다. 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"며 "전체 공정이 비교적 간단해서 대량생산에도 적합하다"고 말했다.

KAIST는 산업발전에 필요한 과학기술 분야에 이론과 응용력을 갖춘 고급과학기술인재를 양성하고 중·장기 연구개발과 기초·응용연구를 비롯해 다른 연구기관·산업계 등에 대한 연구지원을 하는 이공계 연구중심대학이다. 1971년 KAIS(한국과학원)으로 서울 홍릉 일대 설립됐다 1989년 KIST(한국과학기술연구원)와 분리 후 대전 대덕캠퍼스로 이전했다. 임효인 기자