기존의 전기차동차는 배터리 성능이 모터의 출력을 따라가지 못해 가속 시 100% 성능을 발휘하지 못했지만 이번에 개발된 배터리를 이용하면 가속성능이 획기적으로 개선될 전망이다. 이 배터리는 차세대 지능형 전력망인 스마트 그리드와 전동 공구 등 고출력 배터리를 필요로 하는 분야에도 다양하게 활용될 수 있다.

현재 가장 상용화된 리튬이온 이차전지용 리튬-코발트계 양극소재는 가격이 비싸고 강한 독성, 짧은 수명, 긴 충·방전 시간 등의 단점이 있었다. 또 충·방전 시 발생하는 열에 취약해 대용량 전류밀도를 요구하는 전기자동차엔 적용이 어려웠다.

▲최장욱 KAIST 교수. ⓒ2012 HelloDD.com

반면 최장욱 교수 연구팀이 개발한 리튬-망간계 양극소재는 풍부한 원료, 저렴한 가격, 친환경성 등이 장점이다. 특히 고온 안정성이 뛰어나고, 높은 출력을 낼 수 있기 때문에 전기자동차용 전극 소재로 각광을 받고 있다.

순수 리튬망간계 양극소재는 수명이 평균 1~2년 정도에 불과할 정도로 매우 짧은 것이 단점이었다. 이는 망간이 전해액으로 녹아나오는 용출 현상에 기인한 것으로 이를 해결하기 위해 세계적으로 다양한 연구가 진행됐다.

최 교수 연구팀은 망간산화물이 만들어지기 직전 나노소재를 합성하는 단계에서 반응온도를 조절해 결정면의 구조를 분석한 결과 220℃에서 망간이온의 용출이 억제되는 결정면과 리튬이온 이동을 원활하게 하는 면이 동시에 존재한다는 것을 발견했다.

각각의 결정면은 수명과 출력을 동시에 좋게 해 출력은 5배 이상, 수명은 3배 이상 높아졌다. 게다가 기존에 가장 취약하다고 알려진 고온 수명 특성은 10배 이상 좋아지는 것을 확인했다.

최 교수는 "배터리에 10 마이크로미터 수준의 덩어리 입자로 존재했던 리튬망간계 양극소재를 수백 나노 수준에서 결정면을 제어함으로써 출력과 수명을 모두 획기적으로 개선했다"며 "관련 기술에 대해 국내외 특허 출원을 완료했으며, 앞으로 기업과 연계해 2~3년 내 상용화할 계획"이라고 밝혔다.

이차전지의 세계적인 석학인 스탠포드 대학 추이 교수는 "이번 연구는 나노기술이 이차전지 분야를 획기적으로 발전시킬 수 있는 단적인 예를 보여준 사례"라고 평가했다.

한편 최장욱 교수가 주도하고 김주성 연구원이 참여한 이번 연구 성과는 나노과학분야 학술지인 '나노 레터스(Nano letters)'지 온라인판에 발표됐다.