- 기존 배터리 양극재 대비 에너지밀도 20% 높고 안정성 유지

[디지털데일리 김도현 기자] 국내 연구진이 전기차 주행거리를 늘릴 수 있는 소재를 확보했다.

3일 한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 현재 사용되고 있는 배터리 양극재와 비교해 20% 이상 에너지 밀도가 높으면서 안정성을 유지하는 고용량 리튬 과잉 양극재를 개발했다고 밝혔다.

전기차 배터리에는 ‘하이니켈’ 양극재가 사용되고 있다. 배터리 양극 소재는 코발트, 니켈, 망간의 산화물인데 니켈 함량이 높을수록 용량이 높지만 기존 제품으로는 주행거리 향상에 한계가 있다.

연구팀이 공개한 리튬 과잉 양극재는 리튬이 과량으로 함유된 차세대 양극 소재로 저장된 리튬의 양이 많아 가용 용량이 250mAh/g 에 달한다. 기존 하이니켈 양극재보다 20% 많은 에너지를 저장할 수 있다.

다만 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충전과 방전 사이에 산화물을 구성하고 있는 산소가 기체가 돼 비가역적으로 추출되는 반응이 일어난다. 이에 산화물 양극재 구조가 무너지고 배터리 성능이 급격히 감소해 사용되지 못하고 있다.

연구팀은 비가역적 산소 반응이 주로 발생하는 양극재 표면에 선택적으로 바나듐 이온을 도핑하는 기술을 개발해 리튬 과잉 양극 소재의 안정성을 높이는 데 성공했다.

리튬 과잉 양극재가 첫 충·방전에서 69%의 낮은 가역성을 갖지만 바나듐을 도핑한 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충·방전 시 81%에 달하는 높은 가역성을 나타냈다. 100 사이클의 충·방전 이후에도 92%에 달하는 안정성을 확인했다.

조 교수는 "도핑된 바나듐 이온이 양극 소재 내 산소 이온의 전자구조를 변화시켜 충·방전 시 가역적인 산화·환원 반응이 가능하도록 했다ˮ며 "전체 공정이 비교적 간단해 대량생산에도 적합하다ˮ고 설명했다.

<김도현 기자>dobest@ddaily.co.kr