▲ (左부터) 일반적인 실리콘-황 배터리는 충방전 과정에서 음극재료가 부서지고 오염되는 등 성능 감소가 심하다 하지만 황전극에 셀리니움을 첨가하는 경우 음극에 코팅된 셀레니움이 실리콘 음극과 황 양극을 모두 안정적으로 유지시킬 수 있다. .

국내 연구진이 전기자동차 1회 충전 시 최대 주행거리를 약 300Km까지 늘린 리튬이온 배터리를 개발했다.

광주과학기술원(GIST)은 엄광섭 신소재공학교 교수와 이정대 MIT 전자공학연구소 박사 (이상 공동 제1저자) 등 공동 연구팀이 현재 사용되고 있는 리튬이온 배터리보다 용량이 4배, 수명은 2배 이상 늘어난 새로운 리튬이온 배터리를 개발했다고 10일 밝혔다.

현재 상용 리튬이온 배터리의 전극 재료로는 그라파이트(음극)와 리튬금속산화물(양극)이 사용되고 있다. 두 재료 모두 에너지 저장 용량이 상대적으로 낮고 현재 기술로는 이론 용량에 거의 도달해, 주로 단거리 주행용으로 사용되고 있는 전기자동차의 전기 저장 용량을 증가시키는데 한계에 직면한 상황이다.

전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해서는 많은 양의 배터리를 장착하면 되지만, 차체 무게가 증가하고 자동차 연비가 감소하기 때문에 배터리 추가 장착만으로는 주행거리를 늘리는 데 한계가 있다. 따라서 무게 및 부피당 전기 저장 용량이 큰 새로운 전극재료를 이용해 신규 배터리를 개발해야 한다.

이에 연구팀은 리튬/실리콘(음극)과 황/셀레니움(양극)을 이용해 현재의 리튬이온 배터리보다 무게 당 용량이 4배 이상(에너지 밀도 2배 이상), 수명이 2배 이상인 신규 리튬이온 배터리를 개발했다.

연구팀은 리튬이온 배터리의 새로운 전극 재료로서 ‘실리콘 음극’과 ‘황 양극’에 주목하고, 황 양극에 셀레니움(Se)을 첨가해 ‘리튬/실리콘 음극’, ‘황/셀레니움 양극’으로 구성된 배터리를 만들었다.

그 결과 황이 용해되기 전에 셀리니움이 우선적으로 용해되어 실리콘 전극의 고체전해질계면(SEI) 층에 우선적으로 포함돼, 실리콘 음극의 보호막 역할을 하면서 성능이 감소되지 않았다.

개발된 리튬이온 배터리는 무게당 저장 용량이 약 500mAh/g으로 현재 상용화된 리튬이온 배터리(100~150 mAh/g 수준)보다 약 4배 컸으며, 사용 전압을 고려한 에너지 밀도에서는 약 2배 이상 증가했다.

즉, 신규 배터리를 전기자동차용으로 사용할 때 1회 충·방전당 에너지 저장 밀도가 무게 당 현재의 2배 이상이기 때문에, 같은 무게의 배터리를 사용한다면 1회 충전 시 현재 전기자동차 주행거리의 약 2배(약 300㎞)까지 늘어날 수 있다.

특히 연구팀이 배터리의 안정성 향상에 집중한 결과, 1500회의 충·방전 사이클 동안 성능은 불과 19% 감소하는 것으로 나타났다. 이는 하루에 1회 충전할 경우 약 4년(365회×4=1460회) 동안 사용해도 배터리의 성능이 80% 이상 유지돼 교체 없이 사용 가능하다는 의미이다.

또한, 개발된 배터리를 휴대전화에 사용할 경우에도, 4년 동안 사용자가 성능 감소를 크게 느끼지 못할 정도(성능 감소 20% 미만)이며, 현재의 휴대전화 배터리와 같은 용량으로 설계할 경우에는 휴대전화의 배터리 무게가 약 2배 감소한다.

GIST 엄광섭 교수는 “개발된 배터리를 상용화하면 1회 충전 시 주행거리가 150㎞ 이내에 머물고 있는 전기자동차의 주행거리를 획기적으로 늘릴 수 있다”며 “첨가물 종류와 양의 조절, 전해질 안정성 연구 등 추가적인 최적화 연구를 통해 용량을 1.5배, 수명을 2배 이상 추가로 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

미국 조지아 공대(Georgia Institute of Technology) 글렙 유신 교수(재료공학과)와 탐 퓰러 교수(화학공학과/이상 공동 교신저자)의 지원 하에서 GIST 엄광섭 교수와 MIT 이정태 박사가 주도해 수행한 이번 연구는 조지아 공대의 지원을 받아 진행됐으며, 관련 논문은 네이쳐 (Nature) 자매지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 1월 5일자에 온라인 게재됐다.