6분이면 전기車 90% 충전 가능한 배터리 소재?

세계적으로 보급이 진행 중인 전기 자동차는 에너지 밀도가 높은 리튬이온 배터리를 채택하고 있다. 배터리 성능은 전기 자동차 전반적인 성능에 영향을 준다. 새로 발표된 논문에선 6분이면 90%까지 충전을 가능하게 하는 리튬이온 배터리 재료를 개발했다고 한다.

리튬이온 배터리에서 충방전 시간을 줄이는 건 배터리 성능 향상에 크게 관계된다. 지금까지 리튬이온 배터리 충방전 성능 개선은 전극 재료 입도를 작게 하는 방법을 이용했다. 하지만 전극 입자 크기를 작게 하면 에너지 밀도가 저하되는 단점이 있었다.

포항공대와 성균관대 연구팀은 전극 재료 입자 크기를 작게 하지 않은 채 급속 충방전을 하고 고출력을 실현하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 리튬이온 배터리 전극 재료는 여러 가지가 있지만 충방전 중 리튬이온이 풍부한 상과 리튬이온이 부족한 상으로 분리하는 상분리 재료는 다른 부피를 가진 2개 상이 단일 입자에 나타난다. 이 2단계 계면에 많은 구조적 결함이 존재하며 이는 입자 내 새로운 위상이 성장하는 걸 저해하고 빠른 충방전을 막는다.

연구팀이 개발한 방법은 입자 내 완충 구조로 기능하는 중단 단계를 유도해 2단계 부피 변화를 극적으로 줄일 수 있다. 중간층은 입자에 새로운 상이 형성, 성장하는 걸 돕고 입자 내에서 리튬이온 삽입과 제거 속도를 향상시킨다.

실제로 연구팀이 이번 방법으로 형성한 중간층이 리튬이온 배터리 성능에 미치는 영향을 평가한 결과 중간층이 형성된 전극에서 전기 화학 반응이 보다 균일하게 배터리 충방전 속도를 향상시켰다고 한다. 새로운 전극을 리튬이온 배터리에 이용하면 불과 6분 만에 배터리를 90% 충전하고 18초면 54%를 방전할 수 있다고 보고하고 있다.

연구팀은 입자 크기 축소에 의한 기존 접근 방식은 낮은 에너지 밀도와 충방전 속도를 절충했지만 이번 연구는 급속 충방전에 높은 에너지 밀도를 제공하는 리튬이온 배터리 개발을 위한 토대를 마련하게 될 것이라고 밝혔다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.