정용환 기자
리튬 공기 배터리(Lithium–air battery)는 휘발유에 필적하는 에너지 밀도를 실현할 수 있는 차세대 배터리로 주목받고 있다. 미국 일리노이 공과대학교 연구팀은 실온에서 1,000회 이상 작동하며 일반 공기 중에서도 안정적으로 기능하는 리튬 공기 배터리의 고체 전해질을 발표했다.
이번 연구에서 개발된 고체 전해질은 2011년 도쿄공업대 연구팀이 발견한 LGPS(Li₁₀GeP₂S₁₂) 나노 입자를 폴리에틸렌 옥사이드(PEO) 폴리머에 결합한 복합 소재다. LGPS 나노입자는 높은 리튬 이온 전도성을 제공하는 동시에 폴리머 매트릭스와의 계면에서도 효율적인 이온 전달을 가능하게 한다. 이 새로운 고체 전해질은 실온에서 기존 전해질 15배에 달하는 이온 전도성을 보여준다.
실험 결과 리튬 금속을 음극으로 개발된 복합 고체 전해질과 Mo₃P 나노입자를 포함한 소수성 가스 확산층을 양극으로 구성한 배터리가 1,000회 충전-방전 사이클 동안 안정적인 성능을 보였다. 첫 번째 사이클에서는 92.7% 에너지 효율을 나타냈으며 1,000사이클 후에도 87.7%라는 높은 효율을 유지했다.
또 이 새로운 리튬 공기 배터리는 일반 공기 중에서도 작동 가능해 실제 사용 환경에서의 실용화 가능성을 크게 높였다. 방전-충전 실험에서는 10.4mAh/cm² 용량을 달성했으며 이는 무게 기준으로 685Wh/kg, 부피 기준으로 614Wh/L 에너지 밀도에 해당한다.
연구팀은 이 새로운 리튬 공기 배터리가 1kWh/kg을 초과하는 에너지 밀도를 실현할 가능성을 보여줬다. 이는 기존 리튬 이온 배터리를 크게 능가하는 성능으로 실현된다면 전기자동차 주행거리를 대폭 연장할 수 있다. 이를 통해 현재의 휘발유 자동차와 비슷하거나 이를 초과하는 주행거리를 구현할 수 있다.
이번 연구에서 개발된 고체 전해질 기술은 기존 액체 전해질보다 안전성 면에서 우수해 보다 안전한 차세대 배터리 개발에 기여할 것으로 기대된다. 이런 기술 실용화가 이뤄진다면 전기자동차 보급을 가속화하고 운송 부문 탈탄소화에 크게 기여할 것으로 기대된다. 또 연구팀은 이 기술이 재생 가능한 에너지를 대규모로 도입하는 데 필요한 에너지 저장 시스템으로도 활용될 가능성이 있다고 강조하며 지속 가능한 에너지 사회 실현을 위한 기대가 높은 기술이라고 평가하고 있다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.
이석원 기자
이원영 기자
