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"1회 충전 300km 주행" 리튬이온 배터리 개발

엄광섭 GIST 교수·美 MIT 공동 연구···실리콘 음극과 황 양극 이용
개발된 배터리의 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 의미한다. <자료=GIST 제공>개발된 배터리의 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 의미한다. <자료=GIST 제공>

한 번 충전에 300km를 달릴 수 있는 전기차 배터리가 개발됐다.   

GIST(광주과학기술원·총장 문승현)는 엄광섭 신소재공학부 교수와 이정태 MIT 이정태 박사 등이 공동 연구를 통해 리튬이온 배터리보다 용량이 4배, 수명은 2배 이상 늘어난 리튬이온 배터리를 개발했다고 10일 밝혔다. 

현재 상용 리튬이온 배터리의 전극 재료는 그라파이트(음극)와 리튬금속산화물(양극)이 사용된다. 두 재료 모두 에너지 저장 용량이 상대적으로 낮고 현재 기술로는 이론 용량에 거의 도달해 있다. 

전기자동차의 주행거리를 늘리기 위해서는 많은 양의 배터리를 장착하면 되지만 차체 무게가 증가하고 자동차 연비가 감소하기 때문에 배터리 추가 장착만으로는 주행거리를 늘리는데 한계가 있다. 

연구팀은 리튬·실리콘(음극)과 황·셀레니움(양극)을 이용해 현재의 리튬이온 배터리 보다 무게 당용량이 4배 이상(에너지 밀도 2배 이상), 수명이 2배 이상인 신규 리튬이온 배터리를 만들었다. 

신규 배터리를 전기자동차용으로 사용할 때 1회 충·방전당 에너지 저장 밀도가 무게 당 현재의 2배 이상으로 같은 무게의 배터리를 사용한다면 1회 충전 시 현재 전기자동차 주행거리의 약 2배인 200km까지 늘어날 수 있다. 

또 연구팀은 1500회의 충·방전 사이클 동안 성능이 19% 감소한 것을 실험으로 밝혀냈다. 이는 하루에 1회 충전할 경우 약 4년(1460회) 동안 사용해도 배터리의 성능이 80% 이상 유지돼 교체 없이 사용이 가능한 수준이다.

더욱이 개발된 배터리를 휴대전화에 사용할 경우에는 4년 동안 성능 감소가 20% 미만으로 사용자가 성능 감소를 크께 느끼지 못할 정도며, 현재의 휴대전화 배터리와 같은 용량으로 설계할 경우에는 휴대전화의 배터리 무게가 약 2배 감소한다.

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 밝혔다.

이번 연구성과는 네이쳐(Nature) 자매지인 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)' 1월 5일자 온라인판에 실렸다. 

배터리의 안정성 향상을 위한 아이디어에 대한 간략한 모식도. <자료=GIST 제공>배터리의 안정성 향상을 위한 아이디어에 대한 간략한 모식도. <자료=GIST 제공>

 
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