국내 연구팀이 더 빨리 충전되고 오래가는 전기차 배터리 소재를 개발, 관심을 모으고 있다.
포스텍 신소재공학과 강병우 교수, 통합과정 김민경씨 연구팀은 성균관대 에너지과학과 윤원섭 교수팀과 함께 이차전지 전극 물질에서 충·방전할 때 입자 크기를 줄이지 않아도 획기적으로 충·방전 시간을 단축해 고출력을 낼 수 있다는 것을 처음 밝혀냈다.
이 연구성과는 재료 분야 국제학술지 '에너지 엔 인바이러먼털 사이언스(Energy & Environmental Science)' 최근호에 게재됐다.
연구팀에 따르면 지금까지 이차전지의 빠른 충·방전을 위해 전극 물질 입자 크기를 줄이는 방법이 이용돼왔다.
하지만 입자 크기를 줄이면 이차전지의 부피 에너지 밀도가 줄어드는 단점이 있었다.
연구팀은 입자 크기를 줄이지 않고도 충·방전 '상변이 과정'에 중간상을 형성시키면 고에너지 밀도 손실 없이도 더 빨리 충전되고 오래가는 이차전지를 개발할 수 있다는 것을 확인했다.
충·방전 시 새로운 상(相)이 생성되고 성장하는 과정을 거치는 상 분리 물질(Phase separating materials)의 경우 부피가 서로 다른 두 상이 하나의 입자 내에 존재하게 돼 두 상의 계면에서 구조적 결함들이 많이 생긴다.
이런 구조적 결함들은 입자 내에서 새로운 상의 빠른 성장, 즉 빠른 충·방전을 방해한다.
연구팀이 개발한 합성법을 이용하면 입자 안에 있는 두 상 사이의 부피 변화를 획기적으로 줄여줄 수 있는 완충(Structural Buffer) 역할을 하는 중간상을 유도할 수 있다.
연구팀이 합성한 이차전지 전극은 6분만에 90%까지 충전되고 18초 내에 54%를 방전하는 성능을 보여 고출력 이차전지 개발 기대감을 높였다.
교신 저자인 강병우 교수는 "이번 연구를 통해 빠른 충·방전, 높은 에너지 밀도, 오랜 성능 유지 시간 등을 모두 충족시킬 수 있는 이차전지를 개발할 수 있는 기반을 마련했다"고 말했다.
한편 이 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 방사선기술개발사업 지원으로 수행됐다.
◇용어설명
상변이 과정=전극 물질 중 상 전이 물질에서 일어나는 현상으로 충·방전 시 리튬이 삽입·탈리되면서 물질의 기존 상이 새로운 상으로 변하는 과정.
