전기차·노트북 충방전 많이 해도 성능 안 떨어진다

전기차·노트북 충방전 많이 해도 성능 안 떨어진다

2020.01.21 01:00

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서울대 연구팀이 스마트폰이나 노트북, 전기차 등에 쓰이는 기존 리튬이온배터리의 한계를 극복할 수 있는 소재를 개발했다. 게티이미지뱅크 제공

국내 연구팀이 스마트폰이나 노트북, 전기차 등에 쓰이는 기존 리튬이온배터리의 한계를 극복할 수 있는 소재를 개발했다.

 

서울대는 리튬이온배터리에 들어가는 재료 중 '리튬 과잉 양극소재'에서 나타나는 전압 강화와 수명 저하의 원인을 찾고, 이를 보완할 양극소재를 개발했다고 20일 밝혔다. 리튬이온배터리는 리튬산화물로 된 양극에서 나온 리튬이온이 양극과 음극을 오가면서 전기를 만든다. 배터리 용량을 향상시키기 위해서는 리튬이온이 풍부한 양극소재가 필요하다.

 

하지만 현재 리튬이온배터리에 쓰이는 '하이-니켈 양극소재'는 배터리 용량을 늘이는 데 한계가 있고, 차세대 양극소재로 꼽히는 '리튬 과잉 양극소재'는 충전, 방전 시 전압이 급격히 떨어지고 수명이 점점 짧아진다는 한계가 있다.

강기석 서울대 재료공학부 교수팀은 리튬 과잉 양극소재의 전압이 강하하는 근본적인 이유를 실험으로 밝혀냈다. 리튬이온배터리를 충전하는 동안 전이금속 이온이 리튬층 내 원래 자리에서 벗어나고 다시 돌아오지 않아 결국 소재의 구조가 붕괴되면서 전압이 급격히 떨어진다는 사실을 확인했다.

 

연구팀은 리튬 과잉 양극소재를 만드는 과정에서 산소층을 배열하는 횟수를 바꿔 새로운 양극소재를 개발했다. 기존 방식에서는 리튬이 든 전이금속 층과 리튬층 사이에 산소층을 3회 이상 적층한다. 하지만 연구팀은 산소층을 2회 이상 적층했다.

 

그 결과 배터리를 충전, 방전할 때 구조가 붕괴하지 않고 안정적으로 유지되는 것을 확인했다. 전압이 떨어지는 범위도 0.15V에서 0.05V로 3분의 1이나 줄었고, 40번 이상 충전-방전 한 뒤에도 전압 안정성이 98.7%에 달했다.

 

강기석 교수는 "리튬 과잉 양극소재의 성능이 떨어지는 근본적인 원인을 밝혀냈다"며 "이번 연구 결과를 활용해 수십 번 이상 충전-방전해도 성능과 수명을 유지하는 차세대 리튬이온배터리를 개발할 수 있을 것"이라고 기대했다. 연구팀은 새로 개발한 양극소재를 상용화하기 위해서 합성 공정의 효율성을 높이고 높은 전압대에서 산소의 안정성을 높이는 등 추가 연구를 할 계획이다.

 

이 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 머티리얼즈’ 21일자에 발표됐다.

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