전기차 주행거리 1.5배 늘리는 新 바나듐 산화물 양극재 개발!

GIST 신소재공학부 엄광섭 교수 연구팀이 기존 용량보다 약 1.5배 증가한 리튬이온 배터리를 개발했다. 연구팀은 나노 판이 겹겹이 쌓인 계층 나노구조의 바나듐 산화물 양극재를 이용해 용량을 늘렸다. 늘어난 에너지 저장 용량은 전기차 주행거리를 약 50% 증가시킬 것으로 기대된다.

전기차 주행거리 1.5배 늘리는 新 바나듐 산화물 양극재 개발!

GIST 신소재공학부 엄광섭 교수 연구팀이 기존 용량보다 약 1.5배 증가한 리튬이온 배터리를 개발했다. 연구팀은 나노 판이 겹겹이 쌓인 계층 나노구조의 바나듐 산화물 양극재를 이용해 용량을 늘렸다. 늘어난 에너지 저장 용량은 전기차 주행거리를 약 50% 증가시킬 것으로 기대된다.

리튬이온 배터리 용량 증가가 관건

리튬이온 배터리는 양극과 음극 물질의 산화환원 반응으로 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치다. 리튬이온 배터리의 구조는 크게 양극, 음극, 분리막, 전해액으로 구분된다. 이 중 배터리 용량을 결정하는 양극은 얇은 양극 기재 위 합제를 바른 구조다. 합제는 양극활물질, 도전재, 바인더로 이루어진다. 합제에 사용되는 양극활물질 종류에 따라 배터리 용량이 달라진다.

그동안 양극활물질에 사용되는 전이 금속의 종류를 다르게 하거나 비율을 바꿔보는 등 배터리 용량을 높이기 위한 연구가 활발하게 진행돼왔다. 배터리 용량 증가는 전기차 주행거리 증진으로 이어지기에 전기차 상용화를 위한 우선 연구로 다뤄졌다. 기존 연구에선 니켈, 코발트, 망간, 철의 산화물을 사용했다. 하지만, 이러한 전이 금속을 이용한 용량 증대는 이미 한계에 달해 더 이상 배터리 용량을 늘리기 어려웠다.

리튬이온 배터리 개발에 혁신을 주다

연구팀은 기존 양극재의 한계로 지적된 낮은 이론 용량을 보완하기 위해 바나듐 산화물을 새로운 양극재로 사용했다. 바나듐 산화물의 이론 용량은 기존 양극 소재 대비 약 1.5~2배 이상 높다. 그러나, 구조 안정성이 낮고 이온·전자 전도성이 낮아 전기화학적 반응 속도가 매우 느리다는 단점이 있어 많은 연구에서 제외됐다.

이번 연구는 바나듐 산화물의 구조를 바꿔 느린 반응 속도 문제와 높은 전류밀도에서의 급격한 용량 감소 문제를 해결했다. 연구팀은 기존 수열 합성법에 결정 성장 억제제를 첨가한 후 열처리를 진행하는 새로운 합성법을 통해 계층 나노구조의 바나듐 산화물 양극재를 개발했다.

새로운 구조의 양극재는 리튬이온의 효과적인 이동 통로를 확보함과 동시에 이동 거리를 줄여 빠른 충·방전 전류 조건에서도 높은 배터리 용량을 확보했다. 소재의 계층 나노구조는 충·방전 시 활성 물질의 구조 붕괴나 입자 간 응집을 방지해 동체가 안정적으로 이동할 수 있도록 한다.

새로운 양극재는 1차원 나노구조의 바나듐 산화물이 높은 전류밀도에서 용량이 급격히 감소하는 단점을 보완했다. 연구팀은 전하량의 크기에 따른 방전 용량 측정 실험으로 높은 전류밀도에서 용량의 변화를 확인했다.

새 양극재는 반응 과정에서의 에너지 손실도 확연히 적었다. 연구팀은 새로운 양극재를 사용한 반쪽 셀을 구현해 에너지 손실 정도를 측정했다. 계층 나노구조의 바나듐 산화물 양극재는 100회의 충·방전 이후 약 80%에 달하는 용량 유지율을 기록했다. 이는 기존 1차원 구조의 바나듐 산화물의 용량 유지율인 60%에 비해 매우 높은 수치이다.

고성능 배터리 구현해 응용 가능성 제시

연구팀은 개발된 양극재와 리튬 금속 음극을 완전 셀로 구성해 리튬 배터리를 구현했다. 새 양극재는 차별화된 구조로 배터리 상용화를 위한 두꺼운 전극에서의 실험에서도 높은 성능을 나타냈다. 새로운 배터리는 양쪽 전극 무게 기준으로 기존 리튬이온 전지 대비 1.5배 향상된 592Wh/kg의 높은 비 에너지를 가졌다. 기존 배터리보다 1.5배 큰 에너지 용량은 완충 시 주행거리를 1.5배 증가시킨다.

이번 연구를 진행한 엄광섭 교수는 “본 연구 성과가 차세대 고에너지 리튬 금속 배터리 개발에서 고용량 리튬-프리 양극재의 중요성과 양극재 나노 구조화를 통한 전기화학 반응속도 성능 확보에 대한 새로운 가능성을 제시할 것으로 기대된다”고 언급했다.

본 연구는 국제학술지 스몰(Small) 2023년 1월 4일 자 전면 표지 논문으로 게재됐다.

용어 설명
1) 양극재 : 배터리의 용량과 출력 등을 결정하는 핵심 소재
2) 이론 용량 : 리튬이온전지용 전극 물질이 가지는 고유의 최대 리튬 저장량
3) 전류밀도 : 전극 단위 면적당 흐르는 전류의 세기
4) 수열 합성법 : 고온고압하에서 물 또는 수용액을 이용해 물질을 합성하는 액상 합성법
5) 반쪽 셀 : 음극 혹은 양극 쪽에 리튬 이온을 무한
6) 완전 셀 : 양극과 음극이 동시에 전기화학 반응에 참여하는 형태
7) 비 에너지 : 단위 중량당 내부 에너지