(대전=국제뉴스) 이규성 기자 = 한 번 충전으로 서울과 부산을 왕복할 수 있는 전기차는 언제쯤 나올까. 차세대 자동차, 전기차 시장이 빠르게 성장하는 가운데 주행가능거리를 향상시키기 위한 대용량 리튬이온배터리* 배터리 개발연구가 활발하다.

※ 리튬이온배터리 : 리튬산화물로 된 양극에서 나온 리튬이온이 양극과 음극을 오가면서 전기를 만든다. 배터리 용량 향상을 위해서는 리튬이온이 많이 나오는 양극소재가 필요하며, 배터리 수명 향상을 위해서는 충,방전에도 구조변화가 적은 음극소재가 필요하다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 강기석 교수(서울대학교) 연구팀이 에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 양극소재에서 나타나는 전압강하와 수명저하의 원인을 찾아내고, 이를 보완할 양극소재를 개발했다고 밝혔다.

※ 리튬 과잉 양극소재 : 리튬이 과량으로 함유된 차세대 양극 소재. 산소층을 사이에 두고, 전이금속층과 리튬층이 번갈아 나타나는 구조로 전이금속층에도 리튬이 함유되어 있어, 가용 리튬의 양이 많아 높은 에너지밀도를 구현할 수 있음

비싼 코발트 사용을 최소화할 수 있는 하이-니켈* 소재가 차세대 양극소재로 주목받고 있지만 에너지 밀도가 높은 리튬 과잉 소재에 비해서는 상대적으로 배터리 용량 향상에 한계가 있다.

※ 하이-니켈(NCM) : 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn)이 포함된 층상구조의 기존 양극재에서 니켈 함량이 높은 소재. 일반적으로 니켈의 함량이 높아질수록 높은 에너지밀도를 보임.

이에 연구팀은 니켈 함량을 높이는 대신 산소층을 사이에 두고 리튬이 함유된 전이금속*층과 리튬층을 번갈아 적층하는 방식의 리튬 과잉 양극소재를 개선하는 연구에 주력했다.

연구팀은 충전과정에서 전이금속 이온이 리튬층 내 원래 자리를 이탈하고 복귀하지 않아 소재의 구조 붕괴를 야기, 결국 전압강하와 수명저하로 이어지는 것을 알아냈다.

나아가 산소층 배열을 조절하면 전이금속의 이동을 억제할 뿐만 아니라 이동한 전이금속을 제자리로 복귀시킬 수 있음을 알아냈다.

실제 산소층을 3회 이상씩 적층한 기존 형태(O3)에서 2회 이상씩 적층한 형태(O2)의 구조로 재배열한 양극신소재를 적용한 결과, 반복된 충·방전에도 초기의 재료구조가 안정적으로 유지되는 것을 확인했다.

※ O3 : 구조내의 리튬을 둘러싸고 있는 산소층의 최소 반복 횟수가 3회인 적층형태.

※ O2 : 구조내의 리튬을 둘러싸고 있는 산소층의 최소 반복 횟수가 2회인 적층형태.

이로 인해 전압강하의 범위도 기존 0.15V 이상에서 0.05V 이내로 3배 이상 완화시켰다. 40 사이클의 충·방전 이후에도 98.7%에 달하는 우수한 전압 안정성을 확인했다.

과학기술정보통신부․한국연구재단이 추진하는 미래소재디스커버리사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 결과는 국제 학술지, 네이처 머티리얼즈(Nature Materials)에 1월 21일 게재됐다.