기존 리튬이온 전지를 사용한 전기자동차보다 10배 거리를 주행 가능하게 되는 새로운 리튬이온 전지 기술을 포항공대와 서강대가 공동으로 발표했다.
전기자동차 시장은 폭발적인 성장을 이루고 있으며 2022년 전 세계 판매액은 1조 달러를 넘어 국내 판매 대수는 10.8만대를 넘어선 것으로 보고됐다. 전기자동차 시장 발전에 따라 전기자동차 항속 거리를 기존보다 늘릴 수 있는 대용량 배터리 수요가 높아지고 있다.
포항공대와 서강대 공동 연구팀은 기존 리튬이온 전지에서 사용되는 음극 활물질 10배 이상 용량을 가지면서 안정성과 신뢰도를 겸한 전도성 고분자 바인더를 개발했다. 연구팀 연구는 안정성과 신뢰성을 유지하면서 기존에 사용되어 온 흑연을 층상으로 하전한 폴리머와 조합한 실리콘 애노드로 치환하는 게 가능하게 됐다고 한다.
실리콘 같은 대용량 애노드 재료는 기존 흑연과 같은 애노드 재료를 사용한 리튬이온 배터리 10배 용량을 가지며 고에너지 밀도 리튬이온 배터리 제조에 필수적이다. 하지만 지금까지 리튬과 대용량 애노드 재료가 반응했을 때 체적이 팽창해 전지 성능과 안정성에 악영향을 미치는 것으로 알려져 왔다.
또 지금까지의 연구는 폴리머끼리 연결해 물리적 또는 화학적 성질을 변화시키는 가교나 수소 결합에만 초점을 맞춰 왔다고 되어 있다. 화학적 가교는 바인더가 되는 분자 사이 공유 결합을 포함하고 이들을 고체화할 수 있지만 일단 끊어지면 결합을 다시 회복할 수 없는 특성이 있다. 또 수소 결합은 전기 음성도 차이에 근거한 분자간 2차 결합으로 깨져도 재수리할 수 있지만 강도가 약한 특성이 있다고 한다.
따라서 연구팀은 반응할 때 부피 팽창을 효과적으로 제어할 수 있는 폴리머 바인더를 조사했다. 그 결과 개발된 새로운 폴리머는 수소 결합을 이용할 뿐 아니라 양전하와 음전하 사이 인력을 사용하는 쿨롱력도 이용한다고 한다. 그 결과 수소 결합보다 훨씬 높은 강도를 가지면서 가역적이기 때문에 체적 팽창 제어가 용이하게 되고 있다.
또 실리콘 등 고용량 애노드 재료 표면은 거의 음으로 대전하고 있는 한편 층상으로 대전한 폴리머는 양전자와 음전하가 교대로 배열되어 있기 때문에 애노드와 효과적으로 결합할 수 있다. 또 리튬이온 전지 절연재와 전해질 용매로도 사용되는 폴리에틸렌 글리콜을 도입해 기존보다 리튬이온 확산을 촉진하고 대용량 전극과 에너지 밀도로 충전하는데 성공했다.
연구팀은 이 연구는 대용량 음극 재료를 도입해 리튬이온 배터리 에너지 밀도를 크게 높여 전기자동차 항속 거리를 늘릴 가능성을 갖고 있는 애노드 재료는 기존 리튬이온 배터리로부터 적어도 항속 거리를 10배로 늘릴 수 있다고 밝혔다.
전기자동차 항속 거리를 늘리는 연구는 미국에서도 활발해 자동차 제조사 램이 발표한 픽업트럭(Ram 1500 REV)은 기존 전기 픽업트럭보다 항속 거리가 길고 거리는 800km라고 한다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.