[1일IT템] 리튬배터리 만드는 이론을 뒤집었다… 용량이 50% 늘었다

UNIST 서동화 교수팀, 특정 무질서 암염소재 사용
리튬비율 높여도 수명 단축 없음을 실험으로 증명해
리튬비율 줄여도 용량 유지하면서 수명은 2배 늘어

배터리. 게티이미지 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 기존 리튬배터리 이론을 뒤집는 새로운 소재 설계원리를 찾아냈다. 이를 통해 리튬 배터리의 양극에 들어가는 코발트 대신 가격이 30분의 1 밖에 안되는 망간을 이용해 수명은 그대로이면서 배터리 용량을 50% 이상으로 늘렸다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 서동화 교수팀이 특정물질을 양극 소재로 이용해 리튬 배터리의 용량을 최대 50%이상 늘렸다고 10일 밝혔다. 연구진은 특정 소재가 기존의 '리튬 과잉 조성' 원리에 적용되지 않는다는 것을 최초로 알아낸 것이다.

함께 연구한 캐나다 맥길대 재료공학부 이진혁 교수는 "리튬 함량은 줄이면서도 고성능을 유지할 수 있는 특정한 무질서 암염 소재가 새롭게 밝혀져, 고가의 배터리 양극소재를 값싼 무질서 암염소재로 대체할 수 있는 길이 열렸다"고 설명했다.

무질서-암염 양극재(disordered rock-salt cathode)는 리튬이온 배터리 양극 소재의 일종으로, 양극물질 안에 리튬과 전이금속 양이온이 무질서하게 배열돼 있는 소재다. 암염(소금)의 원자 배열 구조와 비슷해 무질서-암염 양극재라 불린다.

연구진은 코발트 대신 망간 기반의 무질서-암염 양극재를 이용해 실험했다. 그결과 리튬의 비율을 높이지 않고도 배터리 용량을 g당 250㎃h 이상으로 끌어올렸다.

또한 망간, 바나듐과 같은 특정 금속 기반 무질서 암염 소재는 리튬 함량을 줄여도 고용량 전극의 성능을 그대로 유지할 수 있으며, 수명은 기존보다 2배 이상 늘어났다.

서동화 교수는 "전기차 뿐만 아니라 신재생 에너지 발전량 증가로 값싸고 용량이 큰 배터리 소재에 대한 관심이 높다"며 "무질서 암염 소재가 상용화 된다면 이러한 수요를 충족시킬 수 있을 것"이라고 전망했다.

코발트, 니켈 같은 고가 희귀금속이 다량 포함된 양극재는 전기차 리튬이온배터리 가격의 20% 이상을 차지한다. 이 때문에 값싸고 매장량이 풍부한 망간, 철 등이 많이 포함된 무질서-암염 소재가 새로운 양극재로 주목받고 있다. 상용소재 대비 용량도 30~50% 이상 커 전기차 뿐만 아니라 신재생에너지 발전 전력을 저장할 대용량 배터리 소재로도 적합하다.

하지만 무질서 암염 양극재의 짧은 수명은 상용화의 걸림돌이었다. 기존 연구에 따르면 이 양극 소재의 고용량 성능을 끌어내기 위해서는 일반 양극재보다 리튬 함량을 높게 설계해야만 했다. 그런데 소재 내 리튬 함량이 높으면 불안정한 산소가 전극 밖으로 잘 새나가 배터리 수명이 줄어드는 문제가 있다.

서 교수는 이번 연구를 이진혁 교수, 미국 MIT 쥐 리 교수와 함께 진행해 에너지재료분야 국제학술지인 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 6일자로 공개했다.

#리튬 #UNIST #울산과학기술원 #코발트 #바나듐 #망간 #리튬배터리 #설계원리 #무질서암염
monarch@fnnews.com 김만기 기자

※ 저작권자 ⓒ 파이낸셜뉴스. 무단 전재-재배포 금지