리튬 없는 양극 소재로 전기차 주행거리 1.5배 늘린다!

- 현대자동차 및 지스트 차세대에너지연구소 지원
- 양극재로 고용량 바나듐 산화물로 용량 50% 증가

지스트(광주과학기술원, 총장 김기선)는 신소재공학부 엄광섭 교수 연구진이 고용량 바나듐 산화물을 리튬 배터리의 양극재1)로 사용해 에너지 저장 용량이 기존 대비 약 50% 증가한 고성능 리튬 금속 배터리를 구현했다고 지난달 9일 밝혔다.
  ‘에너지 저장 용량’은 전기자동차의 1회 충전 시 주행거리를 좌우하는데, 이번 연구로 개발된 배터리를 활용하면 전기자동차의 1회 충전 시 주행거리가 약 50% 증가(기존 대비 약 1.5배)할 것으로 기대된다.
  전기자동차에 사용되는 ‘리튬 배터리’는 기존의 흑연 음극을 리튬 금속 음극으로 대체한 배터리로, 가벼우면서도 리튬 금속 음극의 용량이 크고 산화 환원 전위가 낮아 차세대 배터리로 각광받고 있다.
  현재 많은 연구에서 리튬 배터리의 양극 소재로 코발트(Co), 니켈(Ni), 망간(Mn), 철(Fe)의 산화물을 사용하고 있으나, 이러한 기존 양극 소재의 용량 증대는 이미 한계에 도달했다고 평가되기 때문에 전기차 1회 충전 시 주행거리를 늘리기 위한 리튬 배터리의 에너지 향상에 한계가 있는 상황이다. 따라서 고에너지 리튬 배터리를 구현하기 위해서 고용량의 새로운 양극 소재의 개발이 필요하며, 상용화를 위해 두꺼운 전극에서도 양극 소재의 성능이 유지되도록 해야 한다. 전극을 두껍게 만들면 더 작은 배터리에 더 많은 에너지를 저장하는 것이 가능하지만, 전극이 두꺼워질수록 저항이 커져서 출력 등의 성능이 떨어지게 된다. 따라서 양극에서 빠른 전기화학 반응 속도를 확보해야 한다.
  엄광섭 교수 연구팀은 리튬이 존재하지 않는 리튬-프리 소재인 바나듐 산화물을 양극 소재로 사용해 바나듐 산화물을 활용한 기존 배터리 대비 약 1.5배 증가된 용량을 갖는 리튬 배터리를 개발했다. 바나듐 산화물 양극 소재는 이론 용량이 294mAh/g에 달해 그 값이 기존 전이 금속 산화물 양극 소재(140mA/g~200mA/g) 대비 약 1.5~2배 이상 높지만, 배터리의 충·방전 과정 동안 구조가 붕괴될 수 있어 안정성 낮고 이온·전자 전도성이 낮아 느린 전기화학적 반응 속도를 가졌다는 치명적인 단점이 있어 상용화되지 못하고 있다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 기존의 수열합성법2)에 결정 성장 억제제를 첨가하고 이후 열처리를 진행하는 새로운 합성법을 이용하여 나노플레이트가 적층된 계층 나노구조의 바나듐 산화물 양극 소재를 개발했다.
  개발된 바나듐 산화물 소재는 구조 내부의 빠른 리튬이온 이동 통로를 효과적으로 제공하고, 리튬이온 이동 거리를 감소시켜 빠른 충·방전 전류 조건에서도 높은 용량 확보가 가능하다. 뿐만 아니라 견고한 계층 나노구조는 충·방전 과정 동안 안정적으로 구조를 유지하게 해준다.
  연구팀이 개발한 양극 소재는 기존의 1차원 나노구조 바나듐 산화물 대비 1.5~2배 이상의 증가된 에너지 저장 용량을 나타냈다. 또한, 보통 빠른 충·방전 전류 조건에서는 큰 저항이 생성되어 용량이 급속하게 감소하는 반면, 개발된 양극 소재는 소재 내부 리튬이온의 확산거리 감소 및 확산속도 증가 덕분에 빠른 충·방전 속도에서도 저장 용량의 감소가 더 적었다. 개발된 양극 소재로 제작한 리튬 배터리는 100회의 충·방전 이후에도 약 80%에 달하는 용량 유지율을 확인했으며, 대부분의 기존 나노벨트 구조의 바나듐 산화물의 용량 유지율(평균 60% 이하)과 비교해 매우 우수한 성능을 유지했다.
  특히 연구팀은 개발된 양극 소재와 리튬 금속 음극을 완전셀로 구성해 고성능 리튬 배터리를 구현하는 데 성공했다. 이 배터리는 두께가 증가된 전극에서도 양극 소재의 독특한 구조 덕분에 성능을 유지할 수 있었으며, 양쪽 전극 무게 기준으로 592Wh/kg의 높은 무게당 밀도를 보였다. 이는 기존 리튬이온전지 대비 전극 기준 50%(1.5배) 향상된 결과이다. 따라서 향후 전해질 및 전지 패킹 소재의 최적화를 통해 기존 리튬이온전지의 최고 셀 기준 비에너지(무게당 에너지) 수준인 280Wh/kg의 140~150%인 약 400Wh/kg 이상 발휘할 수 있을 것으로 기대된다.
  엄광섭 교수는 “이번 연구 성과는 차세대 고에너지 리튬 금속 배터리 개발에서 고용량 리튬-프리 양극 소재의 중요성과 양극 소재 나노 구조화를 통한 전기화학 반응속도 성능 확보에 대한 새로운 가능성을 제시 할 것으로 기대된다”고 말했다.
  지스트 신소재공학부 엄광섭 교수가 지도하고 심기연 박사과정생이 수행한 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 현대자동차 및 지스트 차세대에너지연구소의 지원을 받아 수행했다. 연구 성과는 세계적인 재료 분야 저명 학술지인 「스몰(Small)」에 2023년 1월 4일 전면 표지 논문으로 선정됐다.

[그림] 바나듐 산화물 양극과 리튬 금속 음극으로 이루어진 리튬 배터리의 양극 구조에 따른 율속 특성과 에너지 저장 용량 비교.

모식도는 1차원 나노 구조 대비 나노플레이트가 적층된 나노 계층 구조의 바나듐 양극 산화물의 크게 향상된 전기화학 성능을 보여준다. 개발된 양극 소재는 본 연구에서 새롭게 제안된 합성 방법을 통해 리튬 이온 확산에 유리한 방향으로 결정 성장이 제어되었으며 안정적인 계층 구조로 형성 되었다. 이러한 구조는 리튬 이온 확산 거리를 최소화 하여 그 반응이 빠르게 일어날 수 있도록 한다. 더욱이, 계층 구조는 충/방전시 활성 물질의 구조 붕괴나 입자간 응집을 방지해주어 안정적인 구동을 가능하게 한다. 따라서, 나노 계층 구조의 바나듐 산화물은 개선된 전기화학 성능 덕분에 나노 계층 구조 바나듐 양극을 채택한 리튬 배터리는 0.1C와 1C의 전류밀도에서 각각 594.1 Wh/kg과 296.2 Wh/kg 의 극대화된 에너지 밀도를 보여준다. (자료제공: GIST)

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2023년 2월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>