KAIST, 기존 배터리보다 고용량 차세대 배터리 소재 개발
KAIST 신소재공학과 조은애 교수 연구팀이 기존 배터리보다 20% 이상 에너지 밀도가 높으면서 안정적인 고용량 차세대 리튬 과잉 양극 소재를 개발했다고 3일 밝혔다. 

전기자동차 구매할 때 가장 망설이게 만드는 요인은 한번 충전으로 운행할 수 있는 주행거리가 짧다는 점이다. 

주행거리를 늘리기 위해서는 배터리를 많이 탑재해야 하는데, 이는 차체의 무게와 가격을 증가시키는 문제가 있다. 이에 따라 같은 무게에 더 많은 에너지를 저장해 주행거리를 늘릴 수 있는 고용량 배터리 개발이 시급한 상황이다. 

기존 전기자동차 배터리에는 니켈 함량이 높은 '하이니켈(Ni)' 양극 소재가 사용되고 있다. 

배터리 양극 소재는 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn)의 산화물인데, 니켈의 함량이 높을수록 용량이 높다(200mAh/g). 그러나 하이니켈 양극 소재로는 주행거리 향상에 한계를 드러내고 있으며, 연구팀은 하이니켈 양극 소재의 대안으로 리튬 과잉 양극 소재를 제시했다. 

리튬 과잉 양극 소재는 리튬이 과량으로 함유된 차세대 양극 소재로, 저장된 리튬의 양이 많아 가용 용량이 250mAh/g에 달해, 기존 하이니켈 양극 소재보다 20% 많은 에너지를 저장할 수 있다. 

하지만 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충전과 방전 사이에 산화물을 구성하고 있는 산소가 기체가 돼 비가역적으로 추출되는 반응이 일어난다. 

따라서 산화물 양극재의 구조가 붕괴되고 배터리 성능이 급격히 감소해 사용되지 못하고 있다. 

조은애 교수 연구팀은 비가역적 산소 반응이 주로 발생하는 양극재 표면에 선택적으로 바나듐(V) 이온을 도핑하는 기술을 개발해 리튬 과잉 양극 소재의 안정성을 높이는 데 성공했다. 

리튬 과잉 양극 소재가 첫 충ㆍ방전에서 69%의 낮은 가역성을 갖지만, 바나듐을 도핑한 리튬 과잉 양극 소재는 첫 충ㆍ방전 시 81%에 달하는 높은 가역성을 나타냈다. 또 100 사이클의 충ㆍ방전 이후에도 92%에 달하는 안정성을 확인했다. 

조은애 교수는 "도핑된 바나듐 이온이 양극 소재 내 산소 이온의 전자구조를 변화시켜 충ㆍ방전 때 가역적인 산화ㆍ환원 반응이 가능하게끔 했다"면서 "전체 공정이 비교적 간단해서 대량생산에도 적합하다"고 설명했다.
어떤 소재를 이용하면 전기자동차의 단점을 보완할 수 있어
리튬 과잉 양극 소재