연구성과

화학 박수진 교수팀, 1회 충전으로 ‘630km’ 달리는 ‘이 배터리’는?

2022-09-27 370

[POSTECH·UNIST 공동연구팀, 에너지밀도 극대화한 무(無)음극 배터리 개발…에너지 밀도 ‘40%’ 높여]

작년 한 해에만 국내 신규 등록 전기차가 ‘10만 대’를 돌파했다. 전 세계에서 이 같은 기록은 한국과 노르웨이 둘 뿐이다. 이제는 흔히 볼 수 있는 전기차의 배터리 수명과 충전 속도를 좌우하는 핵심 소재가 바로 ‘음극재’다. 국내 배터리 업계는 음극재의 재료를 달리 하거나 새로운 기술을 도입하며 배터리 용량을 획기적으로 늘릴 방법에 몰두하고 있다. 이 음극재를 아예 없앤다면?

화학과 박수진 교수·통합과정 조성진 연구팀은 UNIST(울산과학기술원, 총장 이용훈) 에너지화학공학과 서동화 교수·김동연 박사 연구팀과의 공동연구로 1회 충전으로 오래 쓸 수 있는 무(無)음극 배터리를 개발했다.

이 배터리의 부피당 에너지 밀도는 977와트시/리터(Wh/L)로 상용화된 배터리(약 700Wh/L)보다 40% 높다. 한 번만 충전해도 630km를 달릴 수 있는 셈이다.

일반적으로 배터리는 충전과 방전을 거듭할 때 리튬이온이 드나들면서 음극재의 구조를 바꾼다. 시간이 갈수록 배터리 용량이 줄어드는 이유다. 음극재 없이 음극 집전체만으로 충·방전이 가능하다면 배터리 용량을 결정짓는 에너지 밀도를 높일 것으로 여겨졌다. 다만 실제로는 음극의 부피가 크게 팽창하며 배터리 수명을 악화시킨다는 치명적인 단점이 있었다. 리튬을 안정적으로 저장하는 저장체가 음극에 존재하지 않아서다.

연구팀은 이온 전도성 기판을 더해 무음극 배터리를 통상적으로 사용되는 카보네이트 용매 기반 액체 전해질에서 구현하는 데 성공했다. 기판은 음극 보호층을 형성할 뿐만 아니라 음극의 부피 팽창을 최소화하도록 돕는다.

연구 결과, 배터리는 카보네이트 용매 계열 전해질 환경에서 고용량(4.2 mAh cm−2), 고전류밀도(2.1 mA cm-2)로 오랫동안 높은 용량을 유지했다. 기판이 리튬을 안정적으로 저장할 수 있음을 이론과 실험을 통해 검증하기도 했다.

나아가, 아지로다이트(Argyrodite) 계열 황화물계 고체 전해질을 이용해 전고체*1 반쪽 전지*2를 구현해 더욱 눈길을 끈다. 이 또한 장기간 높은 용량을 유지함을 확인, ‘폭발하지 않는 배터리’의 상용화를 더욱 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

한편, 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 최근 게재된 이 연구는 알키미스트 프로젝트 및 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌다.


1. 전고체 전지
전지 양극과 음극 사이에 있는 전해질을 기존 액체에서 고체로 대체한 차세대 배터리.

2. 반쪽 전지
산화 반응과 환원 반응이 일어나는 각 부분의 전지. 전지는 산화 반응과 환원 반응이 일어나는 부분을 염다리나 격막 등으로 분리, 전자가 도선을 통해 이동하도록 만든 장치다.