국내 연구진이 같은 배터리에 20% 더 많은 에너지를 저장할 수 있는 차세대 양극재 소재 개발에 성공했다.
카이스트는 3일 "신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 현재 사용되고 있는 배터리 양극재와 비교해 20% 이상 에너지 밀도가 높고, 안정성을 유지하는 고용량의 리튬 과잉 양극 소재를 개발했다"고 밝혔다.
현재 전기자동차 배터리에는 니켈 함량이 높은 '하이니켈' 양극 소재가 사용되고 있는데, 하이니켈 소재로는 주행거리를 늘리는 데 한계가 있었다.
연구팀은 리튬을 대량으로 함유한 차세대 양극 소재를 개발했다. 리튬 과잉 양극 소재가 갖고 있는 단점은 양극재 표면에 바나듐(V) 이온을 도핑하는 방식으로 해결했다.
리튬 과잉 양극 소재는 첫 충전과 방전 사이에 산화물을 구성하는 산소가 기체가 되면서 양극재의 구조가 붕괴되고, 배터리 성능이 급격히 떨어지는 문제가 있었다. 연구진은 바나듐을 활용해 양극소재 표면의 산소이온이 비가역적으로 산화되는 현상을 억제했다.
바나듐을 도핑한 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충전과 방전 시 81%에 달하는 가역성을 나타냈다. 바나듐을 도핑하지 않은 경우(69%)에 비해 높은 가역성을 보였다. 또 바나듐이 도핑된 리튬 과잉 양극 소재는 100번의 충전·방전 이후에도 92%의 달하는 안정성을 보였다.
조은애 교수는 "도핑된 바나듐 이온이 양극 소재 내 산소 이온의 전자구조를 변화시켜 충·방전시 가역적인 산화·환원 반응이 가능하게끔 했다ˮ고 설명하며 "전체 공정이 비교적 간단해서 대량생산에도 적합하다"고 말했다.
KAIST 신소재공학과 이용주 박사가 제 1저자로 참여한 이번 연구 논문은 재료 분야 국제 학술지 '어드밴스드 사이언스'(Advanced Science) 1월 29일자 온라인판에 게재됐다.
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