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전기차 6분이면 90% 충전한다

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전기차 6분이면 90% 충전한다

2020.10.19 13:23
포스텍 신소재공학과 강병우 교수 연구팀, 고출력 구현하는 이차전지 양극 소재 비밀 밝혀
고효율 전기차 배터리 연구를 이끈 강병우 포스텍 신소재공학과 교수와 김민경 석박통합과정생. 포스텍 제공
고효율 전기차 배터리 연구를 이끈 강병우 포스텍 신소재공학과 교수와 김민경 석박통합과정생. 포스텍 제공

국내 연구팀이 전기차 충전 시간을 줄일 새로운 기술을 개발했다. 연구가 순조롭게 진행되면 전기차를 6분내 90% 충전할 수 있다고 연구진은 내다봤다. 

 

포스텍 신소재공학과 강병우 교수 연구팀과 성균관대 에너지과학과 윤원섭 교수팀이 이차전지를 전극 물질에서 충전하거나 방전할 때 입자 크기를 줄이지 않아도 획기적으로 충전과 방전 시간을 단축해 고출력을 낼 수 있다는 연구결과를 재료 분야 국제학술지 ‘에너지앤인바이러먼털사이언스’ 9월 17일 자에 발표했다.

 

전기차는 내연기관 자동차와 달리 이차전지의 동력만으로 자동차를 움직이기 때문에 배터리의 성능이 곧 자동차의 성능이다. 따라서 성능 좋은 전기차를 만들려면 충전 속도와 출력을 높여야 한다. 

 

지금까지는 이차전지를 빠르게 충전하거나 방전하기 위해 전극 물질의 입자 크기를 줄이는 방법을 이용했다. 하지만 입자 크기를 줄이면 이차전지의 부피 에너지 밀도가 줄어드는 단점이 있었다. 

 

연구팀은 입자 크기를 줄이지 않고 충전 또는 방전할 때 발생하는 상변이 과정에 중간상을 형성시키면 고에너지 밀도의 손실 없이 빠른 충전 또는 방전할 수 있고, 고출력을 낼 수 있으며 오래 가는 이차전지를 만들 수 있다는 사실을 밝혔다.

 

충전 또는 방전할 때 새로운 상이 생성되고 성장하는 과정을 거치는 ‘상분리 물질’은 부피가 서로 다른 두 상이 하나의 입자 내에 존재하게 돼 두 상의 계면에서 구조적 결함이 많이 생긴다. 이러한 구조적 결함은 입자 내에서 빠른 충전 또는 방전을 방해한다.

 

연구팀이 개발한 합성법을 이용하면 완충 역할을 통해 입자 안에 있는 두 상 사이의 부피 변화를 획기적으로 줄이는 중간상을 유도할 수 있다. 

 

또 중간상이 입자 안에 새로운 상을 생성하고 성장하는 것을 도와 리튬의 삽입과 탈리 속도를 높일 수 있으며 전극 내의 수많은 입자가 균일한 전기 화학 반응을 일으켜 전지의 충전 또는 방전 속도를 획기적으로 높인다는 사실을 확인했다. 

 

이 방법으로 합성한 이차전지 전극은 6분 만에 90%까지 충전됐고, 18초 안에 54%를 방전하는 성능을 보여 고출력 이차전지 개발의 기대감을 높였다. 

 

강병우 교수는 “기존에는 입자의 크기를 줄이는 방법을 이용했기 때문에 에너지 밀도가 저하되는 문제가 있었다”며 “이번 연구를 통해 빠른 충전 또는 방전 속도, 높은 에너지 밀도, 긴 성능 유지 시간을 모두 충족시킬 수 있는 이차전지를 개발할 수 있는 기반을 마련했다”고 말했다. 

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