KAIST, 차세대 배터리 수명연장 소재 개발…전기차 주행거리 향상 기대

전기차 배터리 응용 기대…공정 간단해 대량생산 적합

바나듐 이온 도핑 전후 양극소재의 모식도(상)와 도핑된 양극소재의 실제 투과 현미경(TEM) 이미지 및 조성 분포도(하)(제공:KAIST)© 뉴스1

(대전=뉴스1) 심영석 기자 = 최근 국내에 전기자동차 보급이 활성화되고 있는 가운데 국내 연구진이 고용량 차세대 배터리 수명을 향상시킬 수 있는 소재를 개발했다.

KAIST는 신소재공학과 조은애교수 연구팀이 현재 사용되고 있는 배터리 양극재와 비교해 20% 이상 에너지 밀도가 높으면서 안정성을 유지하는 고용량의 리튬과잉 양극소재를 개발했다고 3일 밝혔다.

특히, 전체 공정이 비교적 간단해서 대량생산에도 적합한 이 배터리 양극신소재는 전기자동차에 응용 가능할 것으로 기대된다.

현재 전기자동차 배터리에는 니켈 함량이 높은 `하이니켈(Ni)' 양극소재가 사용되고 있다. 그러나 하이니켈 양극소재로는 주행거리 향상에 한계가 있다.

이에 연구팀은 하이니켈 양극소재의 대안으로 리튬과잉 양극소재를 제안했다.

바나듐 이온 도핑 전후 양극소재의 산소 반응으로 인한 비가역 용량 차이(좌) 및 사이클 수명 성능(우)(제공:KAIST)© 뉴스1

연구팀은 비가역적 산소반응이 주로 발생하는 양극재 표면에 선택적으로 바나듐(V) 이온을 도핑하는 기술을 개발해 리튬과잉 양극소재의 안정성을 높이는 데 성공했다.

리튬과잉 양극소재가 첫 충·방전에서는 69%의 낮은 가역성을 갖지만, 바나듐을 도핑한 리튬과잉 양극소재는 첫 충·방전 시 81%에 달하는 높은 가역성을 나타냈다. 특히, 100 사이클의 충·방전 이후에도 92%에 달하는 안정성을 확인했다.


조은애 교수는 “도핑된 바나듐 이온이 양극소재 내 산소이온의 전자구조를 변화시켜 충·방전 시 가역적인 산화·환원반응이 가능하게 했다”며 “전체 공정이 비교적 간단해서 대량생산에도 적합하다?고 말했다.

이번 연구 결과는 재료분야 저명 국제학술지 `어드밴스드 사이언스' 2021년 1월29일자 온라인판에 게재됐다.

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