[세종=뉴스핌] 이태성 기자 = 광주과학기술원(지스트) 연구진이 고용량 바나듐 산화물을 리튬 배터리의 양극재로 사용해 에너지 저장 용량이 기존 대비 약 50% 증가한 고성능 리튬 금속 배터리를 구현했다고 9일 밝혔다.

에너지 저장 용량은 전기자동차의 1회 충전 시 주행거리를 좌우하는데 이번 연구로 개발된 배터리를 활용하면 전기자동차의 1회 충전 시 주행거리가 기존 대비 약 50% 증가할 것으로 기대된다.

전기자동차에 사용되는 리튬 배터리는 기존의 흑연 음극을 리튬 금속 음극으로 대체한 배터리로 가벼우면서도 리튬 금속 음극의 용량이 크고 산화 환원 전위가 낮아 차세대 배터리로 각광받고 있다.

[자료=지스트] 바나듐 산화물 양극과 리튬 금속 음극으로 이루어진 리튬 배터리의 양극 구조에 따른 율속 특성과 에너지 저장 용량 비교. 2023.01.09 victory@newspim.com

기존 양극 소재의 용량 증대는 이미 한계에 도달했다고 평가되기 때문에 전기차 1회 충전 시 주행거리를 늘리기 위한 리튬 배터리의 에너지 향상에 한계가 있는 상황이다.

따라서 고에너지 리튬 배터리를 구현하기 위해서 고용량의 새로운 양극 소재의 개발이 필요하며 상용화를 위해 두꺼운 전극에서도 양극 소재의 성능이 유지되도록 해야 한다.

엄광섭 신소재공학부 교수 연구팀은 리튬이 존재하지 않는 소재인 바나듐 산화물을 양극 소재로 사용해 바나듐 산화물을 활용한 기존 배터리 대비 약 1.5배 증가된 용량을 갖는 리튬 배터리를 개발했다.

개발된 바나듐 산화물 소재는 구조 내부의 빠른 리튬이온 이동 통로를 효과적으로 제공하고 리튬이온 이동 거리를 감소시켜 빠른 충·방전 전류 조건에서도 높은 용량 확보가 가능하다. 또한 견고한 계층 나노구조로 충·방전 과정 동안 안정적으로 구조를 유지하게 해준다.

[사진=지스트] 왼쪽부터 심기연 박사과정생, 엄광섭 교수 2023.01.09 victory@newspim.com

연구팀이 개발한 양극 소재는 기존의 1차원 나노구조 바나듐 산화물 대비 1.5~2배 이상의 증가된 에너지 저장 용량을 나타냈다.

엄광섭 교수는 "이번 연구 성과는 차세대 고에너지 리튬 금속 배터리 개발에서 고용량 리튬-프리 양극 소재의 중요성과 양극 소재 나노 구조화를 통한 전기화학 반응속도 성능 확보에 대한 새로운 가능성을 제시 할 것으로 기대된다"고 전했다.

지스트 신소재공학부 엄광섭 교수가 지도하고 심기연 박사과정생이 수행한 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 현대자동차 및 지스트 차세대에너지연구소의 지원을 받아 수행했으며 연구 성과는 재료 분야 저명 학술지인 '스몰(Small)'에 2023년 1월 4일 전면 표지 논문으로 선정됐다.

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