GIST 엄광섭 교수와 MIT 이정태 박사 등 공동연구팀 성과
현재 사용되고 있는 리튬이온 배터리보다 용량은 4배, 수명은 2배 이상 늘어난 새로운 배터리가 개발됐다.
GIST(광주과학기술원) 엄광섭 교수(신소재공학부)와 MIT 전자공학연구소의 이정태 박사 등 공동연구팀은 리튬·실리콘(음극)과 황·셀레니움(양극)을 이용한 리튬이온 배터리를 개발했다고 10일 밝혔다.
이 배터리가 상용화되면 1회 충전 시 전기자동차의 최대 주행거리는 약 300㎞까지 늘어나고, 휴대전화 배터리의 경우 수명은 2배가량 늘어나면서 무게는 절반 수준으로 줄어들 것으로 기대된다.
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 도달한 것으로 알려졌다.
이론 용량이란 리튬이온전지용 전극 물질이 가지는 고유의 최대 리튬 저장량을 뜻한다.
전기차의 주행거리를 늘리기 위해서는 많은 양의 배터리를 장착하면 되지만, 차체 무게가 증가하고 자동차 연비가 감소한다는 단점이 있다.
연구팀은 리튬이온 배터리의 새로운 전극 재료로서 '실리콘 음극'과 '황 양극'에 주목했다. 황 양극에 셀레니움(Se)을 첨가해 '리튬·실리콘 음극', '황/셀레니움 양극'으로 구성된 배터리를 만들었다.
그 결과 황이 용해되기 전에 셀리니움이 우선적으로 용해되면서 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 4배가량 컸다. 사용 전압을 고려한 에너지 밀도는 2배 이상 증가했다.
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 동안 사용해도 배터리의 성능이 80% 이상 유지된다는 의미다.
엄광섭 GIST 교수는 "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.
한편 이번 논문은 네이쳐 자매지인 네이처 커뮤니케이션즈 1월5일자에 온라인 게재됐다.
(뉴시스)