한번 충전으로 630㎞ 달리는 무음극 배터리 개발

POSTECH-UNIST 공동연구
음극재 없이 집전체로 구성
부피당 에너지밀도 977Wh

전기차 충전. 게티이미지 제공

[파이낸셜뉴스] 포항공과대(POSTECH) 화학과 박수진 교수·통합과정 조성진 연구팀이 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 서동화 교수·김동연 박사팀과 함께 1회 충전으로 630㎞를 달릴 수 있는 무(無)음극 배터리를 개발했다.

연구진은 27일 "이 배터리는 부피당 에너지 밀도가 977Wh/L(와트시/리터)로 상용화된 배터리(약 700Wh/L)보다 40% 높다"고 말했다.

일반적으로 배터리는 충전과 방전을 거듭할 때 리튬이온이 드나들면서 음극재의 구조를 바꾼다. 시간이 갈수록 배터리 용량이 줄어드는 이유다. 음극재 없이 음극 집전체만으로 충·방전이 가능하다면 배터리 용량을 결정짓는 에너지 밀도를 높일 것으로 여겨졌다. 다만 실제로는 음극의 부피가 크게 팽창하며 배터리 수명을 악화시킨다는 치명적인 단점이 있었다. 리튬을 안정적으로 저장하는 저장체가 음극에 존재하지 않아서다.

연구진은 이온 전도성 기판을 더해 무음극 배터리를 통상적으로 사용되는 카보네이트 용매 기반 액체 전해질로 만들었다. 기판은 음극 보호층을 형성할 뿐만 아니라 음극의 부피 팽창을 최소화하도록 돕는다. 이렇게 만든 배터리는 카보네이트 용매 계열 전해질 환경에서 고용량(4.2㎃h㎠), 고전류밀도(2.1 ㎃h㎠)로 오랫동안 높은 용량을 유지했다.

또한, 아지로다이트 계열 황화물계 고체 전해질을 이용해 전고체 반쪽 전지를 만들었다. 이 반쪽전지도 장기간 높은 용량을 유지했다. 이를통해 '폭발하지 않는 배터리'의 상용화를 더욱 앞당길 수 있을 것으로 보인다.

한편, 연구진은 이번 연구결과를 국제 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 최근 발표했다.