국내 연구진이 에너지 저장 용량을 기존 대비 약 50% 늘린 고성능 리튬 금속 배터리를 구현, 전기차(EV) 주행거리를 크게 늘릴 수 있는 기술을 개발했다.

9일 광주과학기술원(GIST)에 따르면, 신소재공학부 엄광섭 교수 연구팀은 리튬이 존재하지 않는 리튬-프리 소재인 바나듐 산화물을 양극소재로 활용해 기존 배터리 대비 약 1.5배 증가한 용량을 갖는 리튬 배터리를 개발했다.

에너지 저장 용량은 전기차 1회 충전 시 주행거리를 좌우한다. 이번 연구로 개발된 배터리를 활용하면 전기차 1회 충전 시 주행거리가 약 50% 증가할 것으로 기대된다.

전기차에 사용되는 리튬 배터리는 기존 흑연 음극을 리튬 금속 음극으로 대체한 배터리다. 가볍고 음극의 용량이 크며 산화 환원 전위가 낮아 차세대 배터리로 주목을 받고 있다.

현재 많은 연구에서 리튬 배터리의 양극소재로 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 철(Fe)의 산화물을 사용하고 있다. 고에너지 리튬 배터리를 구현하기 위해서 고용량의 새로운 양극소재가 필요하다. 상용화를 위해서는 두꺼운 전극에서도 양극소재의 성능이 유지되도록 해야 한다.

GIST 연구팀이 활용한 바나듐 산화물 양극소재는 이론 용량이 기존 전이 금속 산화물 양극 소재 대비 약 1.5~2배 이상 높다. 다만 배터리 충·방전 과정에서 구조가 붕괴할 수 있고, 이온·전자 전도성이 낮아 느린 전기화학적 반응 속도가 단점으로 지적돼왔다.

GIST 연구팀은 이를 해결하기 위해 새로운 합성법을 이용해 기존 단점을 극복할 나노 플레이트가 층층이 쌓인 바나듐 산화물 양극소재를 개발했다.

이 양극소재는 1차원 나노구조 바나듐 산화물 대비 1.5~2배 이상의 증가한 에너지 저장 용량을 나타냈다. 빠른 충·방전 속도에서도 저장 용량의 감소도 더 적었다. 이 소재로 개발한 리튬 배터리는 100회의 충·방전 이후에도 약 80%에 달하는 용량 유지율을 확인했다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 완전셀로 구성해 고성능 리튬 배터리를 구현하는 데 성공했다. 이 배터리는 기존 리튬이온전지 대비 전극 기준 50%(1.5배) 향상된 결과를 얻어냈다.

엄광섭 교수는 “차세대 고에너지 리튬 금속 배터리 개발에서 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대된다”고 말했다.

한국연구재단 중견연구자지원사업, 현대자동차와 GIST 차세대에너지연구소의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 재료 분야 저명 학술지 ‘스몰(Small)’ 2023년 1월4일자 전면 표지 논문으로 선정됐다.