포스텍 연구팀, 저렴한 금속재로 고용량 리튬 과량 양극 소재 개발…전기차 배터리 성능향상 기대

포스텍(총장 김무환) 신소재공학과 강병우 교수, 통합과정 이정화 씨 연구팀은 성균관대 에너지과학과 윤원섭 교수팀과 공동으로 값비싼 금속재를 사용하지 않고서도 고용량 리튬 과량 양극 소재를 만들어내는데 성공했다.

연구팀은 리튬과 전이금속을 포함한 양이온들의 분포 형태가 전극 물질의 초기 반응 활성화와 가역적 전기화학 반응에 중요한 요인이 되는 것을 처음으로 확인했다. 리튬과 전이금속의 분포 조절을 통해 산소 이온반응을 최대한 높여 에너지밀도를 극대화한 것인데 이는 지금까지 보고된 연구 가운데 가장 높은 결과물이다.

이번 연구성과는 재료분야 국제학술지 '어드밴스드 사이언스'에 최근 게재됐다.

배터리는 차지하는 부피와 무게 때문에 용량을 늘리는 것이 가장 큰 숙제로 여겨지고 있다. 작고 가벼우면서도 전기에너지를 효율적으로 저장하는 배터리를 만들기 위해서는 에너지 밀도를 높이는 것이 가장 큰 관건이다. 지금까지는 기존 전이금속 기반의 전자를 공급하는 것 외에 산소 이온 기반의 반응을 통한 추가적인 전자공급이 가능한 전극물질 지원이 전부다.

이에 연구팀은 현재 사용되고 있는 양극 소재보다 더 높은 에너지 밀도를 갖는 리튬 과량(Li-rich) 양극 소재의 전기화학적 활성도를 극대화할 수 있는 구조적, 화학적 조건을 제시했다.

전지에 주로 쓰이고 있는 비싼 금속인 코발트(Co)를 사용하지 않고도 많은 에너지를 저장할 수 있는 리튬 과량 양극 소재를 개발했다는 점에서 평가가 높다.

이 물질은 양극 소재 중에서 가장 높은 에너지 밀도인 1천100Wh/kg 이상의 가역 에너지 밀도를 구현해 냈다. 이는 기존의 리튬 과량 양극 소재들의 에너지 밀도보다 30% 이상 증가한 수치다.

아울러 리튬 과량 물질을 사용하는 전지에서 나타나는 전압 강하 문제도 획기적으로 안정화시켰다.

연구를 수행한 이정화 씨는 "연구는 차세대 고용량 물질인 리튬 과량 물질에서 리튬과 전이금속의 분포를 조절함으로써 배터리 밀도를 높일 수 있는 새로운 접근법"이라며 "이 소재를 전기자동차에 적용한다면, 배터리 성능향상에 따라 주행거리가 훨씬 늘어날 것으로 기대된다"고 말했다.