전기차 주행거리 늘린다… 배터리 성능 높이는 양극소재 개발

이차전지의 수명저하를 막아 전기차의 주행거리를 대폭 향상시킬 수 있는 양극소재를 국내 연구진이 개발했다.
한국연구재단은 서울대 강기석 교수 연구팀이 에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 양극소재에서 나타나는 전압 강하와 수명 저하의 원인을 찾아 이를 보완할 양극소재를 개발했다고 21일 밝혔다.

리튬이온배터리는 리튬산화물로 된 양극에서 나온 리튬이온이 양극과 음극을 오가면서 전기를 만든다. 배터리 용량을 늘리려면 양극소재가 필요하고 배터리 수명을 늘리려면 충·방전에도 구조변화가 적은 음극소재가 필요하다.


그간 차세대 양극소재로 비싼 코발트 사용을 최소화할 수 있는 하이-니켈 소재가 주목받았지만 에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 소재에 비해 용량을 늘리는 데 한계가 있다.

연구팀은 충전 과정에서 전이금속 이온이 리튬 층 내 원래 자리를 이탈하고 복귀하지 않아 소재의 구조 붕괴를 야기해 결국 전압 강하와 수명 저하로 이어지는 것을 알아냈다.

또한 산소 층 배열을 조절하면 전이금속의 이동을 억제할 뿐만 아니라 이동한 전이금속을 제자리로 복귀시킬 수 있음을 확인했다.


실제 산소 층을 3회 이상씩 적층한 기존 형태(O3)에서 2회 이상씩 적층한 형태(O2)의 구조로 재배열한 양극신소재를 적용한 결과 반복된 충·방전에도 초기의 재료 구조가 안정적으로 유지되는 것을 확인했다.

전압 강하의 범위도 기존 0.15V 이상에서 0.05V 이내로 3배 이상 완화시켰고, 40 사이클의 충·방전 이후에도 98.7%에 달하는 우수한 전압 안정성을 보였다.

이 같은 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 머티리얼즈’ 21일자에 실렸다.