GIST 엄광섭 교수팀 전기차 주행거리 2배 배터리 개발

1회 충전으로 전기차 300㎞ 주행 가능  실리콘 음극-황 양극 이용 배터리 개발

【광주=뉴시스】맹대환 기자 = 광주과학기술원(GIST)은 신소재공학부 엄광섭 교수와 MIT전자공학연구소 이정태 박사 공동 연구팀이 현재 시판돼 사용 중인 리튬이온 배터리보다 용량이 4배, 수명은 2배 이상 늘어난 새로운 리튬이온 배터리를 개발했다고 10일 밝혔다.

 이 배터리가 상용화되면 1회 충전시 전기자동차의 최대 주행거리는 약 300㎞까지 늘어나고, 휴대전화 배터리의 수명은 2배 가량 늘어나면서 무게는 절반 수준으로 줄어들 것으로 기대된다.

 현재 상용 리튬이온 배터리의 전극 재료로는 그라파이트(음극)와 리튬금속산화물(양극)이 사용되고 있다.

 두 재료 모두 에너지 저장 용량이 상대적으로 낮고 현재 기술로는 이론용량(리튬이온전지용 전극 물질이 가지는 최대 리튬 저장량)에 거의 도달해 전기자동차의 전기저장 용량을 증가시키는 데 한계에 직면한 상황이다.  

 전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해서는 많은 양의 배터리를 장착하면 되지만 차체 무게가 증가하고 자동차 연비가 감소하기 때문에 배터리 추가 장착만으로는 주행거리를 늘리는 데 한계가 있다.

 따라서 무게와 부피당 전기저장 용량이 큰 새로운 전극재료를 이용해 신규 배터리를 개발해야 한다.

 연구팀은 리튬/실리콘(음극)과 황/셀레니움(양극)을 이용해 현재의 리튬이온 배터리보다 무게 당 용량이 4배 이상(에너지 밀도 2배 이상), 수명이 2배 이상인 신규 리튬이온 배터리를 개발했다.

 연구팀은 새로운 전극 재료로 실리콘 음극과 황 양극에 주목하고, 황 양극에 셀레니움(Se)을 첨가해 '리튬/실리콘 음극'과 '황/셀레니움 양극'으로 구성된 배터리를 만들었다.

 그 결과 황이 용해되기 전에 셀리니움이 우선적으로 용해되고 실리콘 전극의 고체전해질계면(SEI) 층에 우선적으로 포함돼 실리콘 음극의 보호막 역할을 하면서 성능이 감소되지 않았다.  

 개발된 리튬이온 배터리는 무게당 저장 용량이 약 500mAh/g으로 현재 상용화된 리튬이온 배터리(100~150mAh/g)보다 약 4배 컸으며, 사용 전압을 고려한 에너지 밀도에서는 약 2배 이상 증가했다.

 신규 배터리를 전기자동차용으로 사용할 때 1회 충·방전당 에너지 저장 밀도가 무게 당 현재의 2배 이상이기 때문에, 같은 무게의 배터리를 사용한다면 1회 충전시 현재 전기자동차 주행거리의 약 2배(약 300㎞)까지 늘어날 수 있다.

 특히 연구팀이 배터리의 안정성 향상에 집중한 결과 1500회의 충·방전 사이클 동안 성능은 불과 19% 감소하는 것으로 나타났다. 이는 하루에 1회 충전할 경우 약 4년(365회×4=1460회) 동안 사용해도 배터리의 성능이 80% 이상 유지돼 교체 없이 사용 가능하다는 의미이다.

 개발된 배터리를 휴대전화에 사용할 경우 4년 동안 사용자가 성능 감소를 크게 느끼지 못할 정도(성능 감소 20% 미만)이며, 현재의 휴대전화 배터리와 같은 용량으로 설계할 경우에는 휴대전화의 배터리 무게가 약 2배 감소한다.

 GIST 엄광섭 교수는 "개발된 배터리를 상용화하면 1회 충전시 주행거리가 150㎞ 이내에 머물고 있는 전기자동차의 주행거리를 획기적으로 늘릴 수 있다"며 "첨가물 종류와 양의 조절, 전해질 안정성 연구 등 추가적인 최적화 연구를 통해 용량을 1.5배, 수명을 2배 이상 추가로 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.

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