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리튬전지 용량 25% ↑···"전기차 100km 더 달린다"

이민아·홍지연 KIST 박사, 실리콘계 음극 리튬 이온 손실 문제 해결
분말 아닌 액체로 사전 리튬화, 손실 1% 내 ↓
사전 리튬화 공정 모식도와 이를 통한 전지 에너지밀도 향상 효과. <사진=KIST 제공>사전 리튬화 공정 모식도와 이를 통한 전지 에너지밀도 향상 효과. <사진=KIST 제공>

전기차 배터리에 쓰이는 음극 소재보다 4배 이상 큰 실리콘계 음극 소재를 99% 효율로 사용할 수 있는 기술이 개발됐다. 이는 기존보다 25% 높은 에너지밀도를 보였으며, 처리법이 간단해 향후 양산 가능성이 매우 클 것으로 기대된다. 

KIST(한국과학기술연구원·원장직무대행 윤석진)는 이민아 청정신기술연구소 에너지저장연구단 박사와 홍지현 에너지소재연구단 박사 공동연구팀이 기존 배터리에 사용되는 흑연계 음극(-) 소재보다 전지 용량이 4배 이상 큰 실리콘계 음극 소재의 리튬 이온 손실 문제를 손쉽게 해결하는 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.

최근 전기차 관련 기존 사용되고 있는 리튬 배터리의 음극 소재인 흑연보다 4배 이상 에너지를 저장할 수 있는 실리콘계 음극 소재가 주목받고 있다. 하지만 실리콘계 음극 배터리는 생산 후 첫 충전 시 전력저장에 사용되어야 할 리튬 이온이 20% 이상 손실돼 전체 배터리 용량이 줄어든다는 문제점이 있다.

이를 해결하기 위해 손실된 리튬을 미리 추가하는 '사전 리튬화' 방법이 연구되고 있지만 기존에 제시된 리튬 분말을 이용한 방법은 폭발 위험성과 높은 비용이 걸림돌이었다.

공동연구팀은 분말이 아닌 용액을 활용해 사전 리튬화를 위한 전처리 기술을 개발, 실리콘계 음극 리튬 소모를 차단했다. 개발한 용액에 전극을 5분 동안 담그면 전자와 리튬 이온이 음극 구조 내부로 들어가는 사전 리튬화를 손쉽게 성공시킬 수 있었다. 그 이유는 리튬 분말을 전극에 첨가하는 기존 방식과 달리 전극 내부로 전처리 용액이 빠르게 침투, 균일하게 실리콘 산화물 내부로 리튬을 전달할 수 있기 때문이다.

연구진이 개발한 용액을 이용해 5분간 전처리를 거친 실리콘계 음극은 첫 충전 시 리튬 손실이 1% 이내로 감소해 99%의 높은 초기 효율을 보였다. 이러한 방식으로 배터리를 제작한 결과 상용 배터리 대비 25% 높은 에너지밀도(406Wh/kg→504Wh/kg)를 얻을 수 있었다.

이민아 박사는 "전산재료과학 기법을 도입해 설계한 최적의 분자구조를 활용, 용액 온도와 처리 시간만 조절하는 간단한 방법으로 고용량 실리콘계 음극 효율을 크게 향상시킬 수 있었다"며 "롤투롤(roll-to-roll) 공정에 쉽게 적용할 수 있어 기존 업계의 전지 제조 설비를 활용한 양산 가능성이 매우 크다"고 말했다.

홍지현 박사는 "KIST 내부 연구단 간의 활발한 협력 연구를 장려하는 분위기가 있었기에 우수한 성과 도출이 가능했다"며 "해당 전처리 기술을 활용하면 전기차의 주행거리가 현재보다 평균적으로 최소 100km 이상 늘어날 수 있을 것"이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 화학 분야 학술지 'Angewandte Chemie : International Edition'(IF:12.257, JCR 분야 상위 9.593%) 최신호에 게재됐으며 표지 논문으로 출판될 예정이다. 본 연구는 과기부 지원으로 KIST 주요사업과 기후변화대응개발사업, 수소에너지혁신기술개발사업으로 수행됐다.

(왼쪽부터)이민아 박사, 홍지현 박사, 강인영 학생연구원, 장주영 학생연구원. <사진=KIST 제공>(왼쪽부터)이민아 박사, 홍지현 박사, 강인영 학생연구원, 장주영 학생연구원. <사진=KIST 제공>
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