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전기차 1회 충전으로 300㎞ 달리게 하는 리튬 이온 배터리 나왔다

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전기차 1회 충전으로 300㎞ 달리게 하는 리튬 이온 배터리 나왔다

2017.01.10 18:00

 

전기차 - Pixabay 제공
전기차 - Pixabay 제공

 

 ● 1분 요약

 

한미 공동 연구진이 기존 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도가 2배 높은 새로운 리튬 이온 배터리를 개발했다. 이 배터리를 전기자동차에 적용할 경우 1회 충전으로 기존의 2배인 300㎞를 달릴 수 있다. 같은 용량으로 만들면 무게가 절반으로 줄어들고, 1500회 충·방전을 반복해도 성능 감소가 20% 미만이다.

 

광주과학기술원 제공
광주과학기술원 제공

 

전기자동차가 1회 충전으로 300㎞를 달릴 수 있게 해 줄 새로운 배터리가 개발됐다. 기존과 동일한 무게의 배터리를 사용했을 때보다 2배 이상 오래 달릴 수 있게 된 셈이다.
 
미래창조과학부는 엄광섭 광주과학기술원(GIST) 교수와 이정태 미국 매사추세츠공대(MIT) 박사후연구원이 미국 조지아공대와 공동으로 기존 리튬 이온 배터리보다 에너지 밀도를 2배 높인 새로운 리튬 이온 배터리를 개발했다고 10일 밝혔다.

 

리튬 이온 배터리는 리튬이온을 저장하고 방출하는 전극물질과 리튬 이온의 이동을 돕는 전해질로 이뤄져 있다. 현재 상용 리튬 이온 배터리의 전극 재료로는 흑연(음극)과 리튬금속산화물(양극)이 사용되고 있다. 양극에서 용해된 리튬 이온이 음극으로 이동하며 전류가 흐르는 것이다. 

 

하지만 흑연과 리튬금속산화물 모두 에너지 저장 용량이 상대적으로 낮고, 이를 활용한 리튬 이온 배터리는 이론적인 최대 용량에 거의 도달해 전기차의 전기 저장 용량을 증가시키는 데는 한계라는 평가를 받고 있다. 엄 교수는 “배터리의 용량을 늘리려면 배터리를 많이 사용하는 간단한 방법이 있지만 이 경우 무게가 무거워져 오히려 자동차나 휴대전화 등 기기의 성능을 떨어뜨린다”고 설명했다.

 

최근에는 황(S)을 양극으로 활용하는 리튬-황 배터리가 고성능 리튬 이온 배터리로 꼽히고 있지만, 양극에서 용해된 황 이온이 전해질을 통해 확산되면, 양극뿐만 아니라 음극에도 유입되는 문제가 있었다. 이 경우 음극에서 리튬 이온이 이온화 되는 것을 방해해 전기전도도가 급격하게 하락한다.

  

연구진은  전기전도도가 황의 최대 수십 만 배에 이르는 셀레니움(Se)을 황에 첨가해 이 문제를 해결했다. 리튬이온 배터리의 양극을 각각 리튬-실리콘 음극과 황-셀레니움 양극으로 만든 것이다. 그 결과, 황이 용해되기 전에 황보다 더 이온화가 잘 되는 셀레니움이 먼저 용해되면서 음극을 감싸 일종의 보호막 역할을 하는 것으로 나타났다.
 
결과적으로 리튬이온 배터리의 에너지 밀도는 2배 이상 높아졌다. 무게당 저장 용량이 g당 약 500㎃h으로 현재 상용화된 리튬이온 배터리(g당 100~150㎃h 수준)보다 약 4배 이상 커졌고, 사용 전압을 고려한 에너지 밀도는 약 2배 이상 증가했다.

 

이 배터리를 전기자동차용으로 사용한다면, 같은 무게의 기존 배터리 대비 1회 충전 시 갈 수 있는 전기자동차 주행거리를 약 2배(약 300㎞)까지 늘어날 수 있다.

 

또 1500회 충전 및 방전을 반복해도 성능 감소가 19%에 그치는 것으로 나타났다. 셀레니움이 형성한 보호막이 실리콘 나노입자의 팽창도 막아 주기 때문이다. 즉, 하루에 1회 충전할 경우 4년 동안 사용해도 성능에는 큰 지장이 없다는 뜻이다.

 

엄 교수는 “휴대전화 배터리로 사용할 경우, 현재 수준과 같은 용량으로 설계한다면 배터리의 무게가 2배 감소하는 것”이라며 “첨가물의 종류와 양 조절, 전해질 안정성 연구 등 상용화에 필요한 최적화 연구를 이어갈 계획”이라고 밝혔다.

 

연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스 5일 자 온라인판에 게재됐다. 

 

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