조은애 신소재공학과 교수(좌), 이용주 신소재공항과 박사./사진=카이스트

국내 연구팀이 전기자동차의 주행거리를 늘릴 수 있는 고용량 배터리 기술을 개발했다.

KAIST는 조은애 신소재공학과 교수 연구팀이 현재 사용되고 있는 배터리 양극재와 비교해 20% 이상 에너지 밀도가 높고 안전성이 확인된 고용량의 리튬 과잉 양극 소재를 개발했다고 3일 밝혔다.

조 교수 연구팀이 개발한 이번 고용량 배터리는 전기차에 사용될 전망이다. 전기차는 주행거리를 늘릴려면 배터리를 많이 탑재해야 하는데 차체의 무게와 가격을 증가시키는 문제가 있어 왔다. 이에 따라 같은 무게에 더 많은 에너지를 저장해 주행거리를 늘릴 수 있는 고용량 배터리 개발의 필요성은 높아졌다.

실제 전기차 배터리에는 니켈 함량이 높은 '하이니켈'(Ni) 양극 소재가 활용되고 있다. 하지만 하이니켈 양극 소재로는 주행거리 향상에 한계가 뚜렸하다는 단점을 가졌다.

이에 연구팀은 전기차 주행거리를 늘릴 수 있는 리튬 과잉 양극 소재를 제안했다. 리튬 과잉 양극 소재는 리튬이 과량으로 함유된 차세대 양극 소재로, 저장된 리튬의 양이 많아 가용 용량이 250mAh/g 에 달한다. 이는 기존 하이니켈 양극 소재보다 20%나 많은 에너지를 저장할 수 있다.

조은애 교수 연구팀은 비가역적 산소 반응이 주로 발생하는 양극재 표면에 선택적으로 바나듐(V) 이온을 도핑하는 기술을 개발해 리튬 과잉 양극 소재의 안정성을 높이는 데 성공했다. 리튬 과잉 양극 소재가 첫 충·방전에서 69%의 낮은 가역성을 갖지만, 바나듐을 도핑한 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충·방전 시 81%에 달하는 높은 가역성을 나타냈으며, 100 사이클의 충·방전 이후에도 92%에 안전성도 확보했다.

조 교수는 "도핑된 바나듐 이온이 양극 소재 내 산소 이온의 전자구조를 변화시켜 충·방전 시 가역적인 산화·환원 반응이 가능하게됐다"며 "전체 공정이 비교적 간단해서 대량생산에도 적합하다"고 말했다.