GIST(광주과학기술원)는 신소재공학부 엄광섭 교수팀과 건국대 조한익 교수, 미국 조지아공대 등 공동 연구팀이 현재 사용되고 있는 리튬이온 배터리보다 용량이 최대 3배 향상된 새로운 리튬이온 배터리를 개발하는데 성공했다고 7일 밝혔다. 이 배터리가 상용화되면 하루에 1회 충전 시 7년 동안 큰 성능 감소없이 사용 가능할 것으로 기대된다. 개발 신규 배터리 (황-금속 화합물 양극, 리튬/실리콘 음극 풀셀)의 모식도와 충·방전 횟수 당 실제 측정되는 에너지 저장 용량을 보여주는 그래프. 그래프의 빨간색/검은색 데이터는 충·방전 1회당 기록된 에너지저장용량(mAh/g)을 의미하며 파란색 데이터는 충·방전 에너지 저장 효율을 의미하는데 약 99.99%이다. 그림=GIST. 현재 상용 리튬이온 배터리의 전극 재료로써 그라파이트(음극)와 리튬금속산화물(양극)이 사용되고 있다. 두 재료 모두 에너지 저장 용량이 상대적으로 낮으며 현재 기술로는 리튬이온전지용 전극 물질이 가지는 고유의 최대 리튬 저장량인 이론 용량에 거의 도달해 전기자동차의 전기 저장 용량을 증가시키는 데 한계에 직면했다. 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 배터리 개발이 필요한 상황이다. 연구팀은 리튬이온 배터리의 새로운 전극 재료로써 황-금속(몰리브데늄) 화합물에 주목하고 이를 이용해 현재 리튬이온 배터리의 양극재보다 무게 당 용량이 최대 6배 향상되고(에너지밀도 3배) 충·방전 2500회 동안 초기 성능의 90% 이상 유지할 수 있는 새로운 실시간 전기화학적 처리를 개발했다. 연구팀은 간단한 공정을 통해 제작 가능한 마이크론 크기의 물질을 이용해 나노 크기의 물질로 전환시켜 배터리의 용량 및 안정성 향상에 집중했다. 핵심적인 방법은 전극 활성 물질을 셀 제작 후에 실시간으로 나노 크기로 변환시킬 수 있는 '전기화학적 분쇄법(in situ electrochemical nano pulverization)'이다. 또 연구팀은 리튬이온 배터리의 새로운 전극 재료로써 고용량 '실리콘 음극'과 '황-금속 화합물 양극'에 주목하고 황-금속 화합물 양극에 전기화학적 처리를 통해 '황-금속 화합물 양극'- '리튬/실리콘 음극'으로 구성된 신규 고용량·고안정성 배터리를 개발했다. 신규 배터리는 무게당 저장 용량이 약 1150 mAh/g으로 현재 상용화된 리튬이온 배터리(150~200 mAh/g 수준)보다 약 6배 높으며 사용 전압(1.5 ~ 2.0 V)을 고려한 에너지밀도에서는 약 3배 이상 증가함을 확인했다. 엄광섭 교수는 "이번 연구성과는 고용량·초저가인 황-금속 화합물 소재를 이용한 새로운 리튬이차전지의 성능 및 안정성을 상용에 가까운 수준으로 향상시켰다는데 가장 큰 의의가 있다"며 "향후 추가적인 연구개발을 통해 전기자동차(EV)와 에너지저장 시스템(ESS)으로 상용화함으로써 이차전지 시장의 급격한 성장이 가능하길 기대한다"고 말했다. 한편 GIST 신소재공학부 엄광섭 교수와 조한익 교수(건국대학교)가 공동으로 주도하고 장의진 박사과정생(GIST 신소재공학부)이 수행한 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 진행됐으며 연구 성과는 ACS (American Chemical Society)의 저명 나노과학 저널인 ACS Nano에 지난달 24일자로 온라인 게재됐다.
국내 GIST 연구팀이 전기차의 주행거리를 3배는 증가시키고 1일 1회 충전 시 7년 간 기능이 망가지지 않고도 계속 사용할 수 있게 하는 리튬이온 배터리를 개발하는데 성공했으며 이 배터리의 핵심 기술은 전극 활성 물질을 나노 입자로 바꿀 수 있는 전기화학적 분쇄법이다.