하루 1회 충전 시 7년 동안 성능 감소 없이 사용 가능
[기계신문] 광주과학기술원(GIST)은 신소재공학부 엄광섭 교수팀과 건국대 조한익 교수, 美 조지아공대 등 공동 연구팀이 현재 사용되고 있는 리튬이온 배터리보다 용량이 최대 3배 향상된 새로운 리튬이온 배터리를 개발하는데 성공했다고 밝혔다. 이 배터리가 상용화되면 하루에 1회 충전 시 7년 동안 큰 성능 감소없이 사용 가능할 것으로 기대된다.
현재 상용 리튬이온 배터리의 전극 재료로써 그라파이트(음극)와 리튬금속산화물(양극)이 사용되고 있다. 두 재료 모두 에너지 저장 용량이 상대적으로 낮으며 현재 기술로는 이론 용량에 거의 도달해, 전기자동차의 전기 저장 용량을 증가시키는 데 한계에 직면하였다.
여기서 이론 용량이란 리튬이온전지용 전극 물질이 가지는 고유의 최대 리튬 저장량으로 실험적으로 이보다 높을 수는 없다. 예를 들어 그라파이트의 경우에는 탄소 원자 6개당 하나의 리튬 이온이 저장되는데, 이를 계산하면 374 mAh/g이 된다.
전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해서는 많은 양의 배터리를 장착하면 되지만, 차체 무게가 증가하고 자동차 연비가 감소하기 때문에 배터리 추가 장착만으로는 주행거리를 늘리는 데 한계가 있다. 따라서 무게 및 부피당 전기 저장 용량이 큰 새로운 전극재료를 이용해 신규 배터리 개발이 필요한 상황이다.
연구팀은 리튬이온 배터리의 새로운 전극 재료로써 황-금속(몰리브데늄) 화합물에 주목하고 이를 이용해 현재의 리튬이온 배터리의 양극재보다 무게당 용량이 최대 6배 향상되고 충·방전 2,500회 동안 초기 성능의 90% 이상 유지할 수 있는 새로운 실시간 전기화학적 처리를 개발하였다.
연구팀은 간단한 공정을 통해 제작 가능한 마이크론 크기의 물질을 이용해 나노 크기의 물질로 전환시켜 배터리의 용량 및 안정성 향상에 집중하였는데, 핵심적인 방법은 전극 활성 물질을 셀 제작 후에 실시간으로 나노 크기로 변환시킬 수 있는 “전기화학적 분쇄법(in situ electrochemical nano pulverization)”이다.
이 기술은 연구팀이 전 세계적으로 유일하게 자체 개발한 기술로 복잡한 추가 공정이 필요하지 않아 상용화가 매우 용이하며, 현재 특허 출원 중이다(Metal Sulfide Secondary Battery, Korea Patent Applied : 10-2017-0181620).
또한 연구팀은 리튬이온 배터리의 새로운 전극 재료로써 고용량 ‘실리콘 음극’과 ‘황-금속 화합물 양극’에 주목하고, 황-금속 화합물 양극에 전기화학적 처리를 통해 ‘황-금속 화합물 양극’-‘리튬/실리콘 음극’으로 구성된 신규 고용량·고안정성 배터리를 개발하였다.
신규 배터리는 무게당 저장 용량이 약 1,150 mAh/g으로 현재 상용화된 리튬이온 배터리보다 약 6배 높으며, 사용 전압을 고려한 에너지밀도에서는 약 3배 이상 증가함을 확인하였다.
엄광섭 교수는 “이번 연구성과는 고용량·초저가인 황-금속 화합물 소재를 이용한 새로운 리튬이차전지의 성능 및 안정성을 상용에 가까운 수준으로 향상시켰다는데 가장 큰 의의가 있으며, 향후 추가 연구개발을 통해 전기자동차(EV)와 에너지저장 시스템(ESS)으로 상용화함으로써 이차전지 시장의 급격한 성장이 가능하길 기대한다”고 말했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 진행됐으며, 연구 성과는 ACS(American Chemical Society)의 나노과학 저널인 ACS Nano 12월 24일자로 온라인 게재됐다.