포스텍 고성능 배터리 소재 개발…"전기차, 6분이면 90% 충전"

고밀도 고출력 이차전지 [자료 포스텍]

전기차는 기존 내연기관 자동차와 달리 이차전지의 동력만으로 자동차를 움직인다. 이 때문에 배터리의 성능이 곧 자동차의 성능으로 직결된다. 그러나 긴 충전 시간과 상대적으로 짧은 주행거리는 상용화의 걸림돌로 작용화해왔다. 현재 50kWh급 이상의 대용량 전기차 배터리를 80%까지 충전하는 데 한 시간 안팎이 걸린다.

POSTECH(포항공대) 신소재공학과 강병우 교수 등은 6분 내에 90%까지 충전되는 전기차 배터리 소재를 개발했다고 19일 밝혔다. 연구팀은 전극 물질의 입자 크기를 줄이지 않아도 획기적으로 충·방전 시간을 단축해 고출력을 낼 수 있다는 사실을 처음으로 밝혀냈다. 지금까지는 이차전지의 빠른 충·방전을 위해 전극 물질의 입자 크기를 줄이는 방법이 주로 사용됐다. 하지만 입자 크기를 줄이게 되면 이차전지의 부피 에너지 밀도가 줄어드는 단점이 있었다.

연구팀은 충·방전 상변이 과정에 중간상을 형성시키면 입자 크기를 줄이지 않고 고에너지 밀도의 손실을 막을 수 있다는 점을 발견했다. 상변이란 충·방전 시 리튬이 삽입·탈리 되면서 물질의 기존 상이 새로운 상으로 변하는 과정을 말한다.

연구팀이 개발한 합성법을 이용하면 입자 안에 있는 두 상 사이의 부피 변화를 획기적으로 줄여줄 수 있는 중간상을 유도할 수 있다. 이를 통해 전극 내의 수많은 입자들이 균일한 전기 화학 반응을 일으켜 전지의 충·방전 속도를 획기적으로 증가할 수 있음을 확인했다. 이를 이용해 빠른 충·방전을 통해 고출력을 낼 수 있을 뿐 아니라 오래 가는 이차전지를 개발할 수 있다는 기대감을 높였다.

강 교수는 “빠르게 충‧방전할 수 있도록 입자의 크기를 줄인 기존의 방식은 항상 에너지 밀도의 저하가 문제로 지적됐다”며 “이번 연구 성과를 통해 빠른 충·방전, 높은 에너지 밀도, 오랜 성능 유지 시간 등을 모두 충족시킬 수 있는 이차전지를 개발할 수 있는 기반을 마련했다”고 밝혔다.

연구 성과는 재료 분야 국제학술지 에너지 엔 인바이러먼털 사이언스 최근호에 게재됐다.

권유진 기자 kwen.yujin@joongang.co.kr

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