전기차 주행거리 2배 늘릴 리튬이온 배터리 개발

    - 실리콘 음극과 황 양극 이용한 배터리 개발…1회 충전으로 300km 주행 가능

     - 엄광섭 교수 및 美 MIT, Georgia Tech 연구팀, Nature Communications 게재

[그림 2] 개발된 신규 배터리의 안정성 향상을 위한 아이디어에 대한 간략한 모식도. 일반적인 경우, 실리콘-황 배터리는 충‧방전 과정에서 실리콘 음극 재료가 부피 팽창에 의해 나노 크기로 부서지는 현상이 일어나고, 황 전극에서 합성된 황화합물(polysulfide)에 의해 실리콘 음극이 오염돼 성능 감소가 매우 심하다(왼쪽 방향). 본 연구의 핵심 아이디어는 이러한 성능 감소를 막기 위해 황 전극에 전기 및 이온 전도도가 높은 셀레니움을 첨가, 자발적으로 셀레니움-리튬 화합물이 실리콘 음극에 코팅됨으로써 실리콘의 전도도도 지속적으로 확보하는 것이다(오른쪽 방향). 이를 통해 실리콘 음극 및 황 양극 모두 안정성을 향상시키는 상호 긍정 효과(시너지 효과)를 볼 수 있었다. 

□ GIST 엄광섭 교수(신소재공학부)와 MIT 전자공학연구소 이정태 박사 (이상 공동 제1저자) 등 공동 연구팀이 현재 사용되고 있는 리튬이온 배터리보다 용량이 4배, 수명은 2배 이상 늘어난 새로운 리튬이온 배터리를 개발했다.

  ∘ 이 배터리가 상용화되면 1회 충전 시 전기자동차의 최대 주행거리는 약 300㎞까지 늘어나고, 휴대전화 배터리의 경우 수명은 2배가량 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 이론 용량*에 거의 도달해, 주로 단거리 주행용으로 사용되고 있는 전기자동차의 전기 저장 용량을 증가시키는 데 한계에 직면한 상황이다.

  * 이론 용량: 리튬이온전지용 전극 물질이 가지는 고유의 최대 리튬 저장량(=전하 저장량). 실험적으로 이보다 높을 수는 없다. 예를 들어 그라파이트의 경우에는 탄소 원자 6개당 하나의 리튬 이온이 저장되는데, 이를 계산하면 374 mAh/g이 된다.

  ∘ 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 무게 및 부피당 전기 저장 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 리튬이온 배터리의 새로운 전극 재료로서 ‘실리콘 음극’과 ‘황 양극’에 주목하고, 황 양극에 셀레니움(Se)*을 첨가해 ‘리튬/실리콘 음극’ – ‘황/셀레니움 양극’으로 구성된 배터리를 만들었다. 그 결과 황이 용해되기 전에 셀리니움이 우선적으로 용해되어 실리콘 전극의 고체전해질계면(SEI) 층에 우선적으로 포함돼, 실리콘 음극의 보호막 역할을 하면서 성능이 감소되지 않았다.

  * (보충 설명) 황이 양극에서 용해될 때 전해질을 통해 확산되면 양극에서 뿐만 아니라 음극의 표면 산화물 층으로 유입돼 실리콘 음극의 이온 및 전기전도도가 급격히 하락함. 이를 해결하기 위해 음극 산화물 층에서 긍정적인 영향을 주는 물질로서 황보다 이온 및 전기전도도가 수천~수십만 배 높은 셀레니움을 첨가함.

[그림 1] 개발 신규 배터리 (실리콘/그래핀 음극 - 황/셀레니움 양극 풀셀)의 충‧방전 횟수 당 실제 측정되는 에너지 저장 용량을 보여주는 그래프. 그래프의 빨간색 데이터는 충․방전 1회당 기록된 에너지저장용량(mAh/g)을 의미하며, 파란색 데이터는 충․방전 에너지 저장 효율을 의미하는데, 약 99.99%이다.

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

  ∘ 즉, 신규 배터리를 전기자동차용으로 사용할 때 1회 충․방전당 에너지 저장 밀도가 무게 당 현재의 2배 이상이기 때문에, 같은 무게의 배터리를 사용한다면 1회 충전 시 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. (전기자동차용 배터리는 운행 기간 동안 80% 이상의 성능 유지가 가능해야함)

  ∘ 또한, 개발된 배터리를 휴대전화에 사용할 경우에도, 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 교수                               MIT 이정태 박사

□ GIST 엄광섭 교수는 “개발된 배터리를 상용화하면 1회 충전 시 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.

□ 미국 조지아 공대(Georgia Institute of Technology) 글렙 유신 교수(재료공학과)와 탐 퓰러 교수(화학공학과/이상 공동 교신저자)의 지원 하에서 GIST 엄광섭 교수와 MIT 이정태 박사가 주도해 수행한 이번 연구는 조지아 공대의 지원을 받아 진행됐으며, 관련 논문은 네이쳐 (Nature) 자매지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications) 1월 5일자에 온라인 게재됐다.     <끝>