포스텍·유니스트 연구팀, 음극재 없는 배터리 첫 개발

에너지 밀도 향상 통해 한번 충전으로 630km 주행 가능

포스텍 박수진 교수, 포스텍 통합과정 조성진씨, 유니스트 서동화 교수, 유니스트 김동연 順

전기차 시장이 확대되고 있는 가운데 국내 연구팀이 음극재 없이 배터리 성능을 높이는 기술을 세계 최초로 개발해 주목받고 있다.

포스텍(포항공대) 화학과 박수진 교수·통합과정 조성진 연구팀은 유니스트(UNIST·울산과학기술원) 에너지화학공학과 서동화 교수·김동연 박사 연구팀과의 공동연구로 1회 충전으로 오래 쓸 수 있는 음극재 없는 배터리를 만들어냈다.

연구결과는 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈'에 최근 게재됐다.

이 배터리의 부피당 에너지 밀도는 977와트시/리터(Wh/L)로 상용화된 배터리(약 700Wh/L)보다 40% 가량 높다. 한 번 충전으로 630km를 달릴 수 있다는 게 연구팀의 설명이다.

통상적으로 배터리는 충전과 방전을 거듭할 때 리튬이온이 드나들면서 음극재의 구조를 바꾼다. 시간이 갈수록 배터리 용량이 줄어드는 것도 이 같은 이유에서다.

이에 연구팀은 음극재 없이 음극 집전체만으로 충·방전이 가능하다면 배터리 용량을 결정짓는 에너지 밀도를 높일 수 있을 것으로 봤다.

문제는 리튬을 안정적으로 저장하는 저장체가 음극에 존재하지 않기 때문에 음극의 부피 팽창에 따른 배터리 수명 악화 문제를 어떻게 해결하느냐는 것이었다.

연구팀은 이온 전도성 기판을 더해 무음극 배터리로 사용되는 카보네이트 용매 기반 액체 전해질을 주목했다. 이 기판은 음극 보호층을 형성할 뿐만 아니라 음극의 부피 팽창을 최소화할 수 있기 때문이다.

이 기판을 적용한 결과 배터리는 카보네이트 용매 계열 전해질 환경에서 고용량·고전류밀도를 보이며 오랫동안 높은 용량을 유지했다. 기판이 리튬을 안정적으로 저장할 수 있다는 사실을 이번 연구에서 검증해낸 것이다.

연구팀은 "이번 연구 성과는 앞으로 배터리의 다양한 성능 향상을 기대하게 한다. 특히 장기간 높은 용량을 유지해도 폭발하지 않는 배터리의 상용화도 가능할 것으로 예상된다"고 했다.