황-금속 화합물 양극과 실리콘 음극을 이용…기존 리튬이온전지 대비 에너지 밀도 3배 향상
GIST(광주과학기술원)는 신소재공학부 엄광섭(사진)
교수팀과 건국대 조한익 교수, 미국 조지아공대 등 공동 연구진이 기존의 리튬이온 배터리보다 용량이 최대 세 배 늘어난 새 리튬이온 배터리를 개발했다고 7일 밝혔다.
이 배터리가 상용화되면 하루 1회 충전 시 7년 동안 큰 성능 감소없이 사용 가능할 것으로 기대된다.
기존 상용 리튬이온 배터리의 전극 재료는 그라파이트(음극)와 리튬금속산화물(양극)이 사용되고 있다.
두 재료 모두 에너지 저장 용량이 상대적으로 낮고, 현재 기술로는 '이론 용량'에 거의 도달해 전기자동차의 전기 저장 용량을 증가시키는 데 한계에 직면한 것이 현실이다.
엄 교수 등 연구진은 리튬이온 배터리의 새로운 전극 재료로 황-금속(몰리브데늄) 화합물에 주목하고 이를 이용해 현재의 리튬이온 배터리의 양극재보다 무게 당 용량이 최대 6배 향상되고(에너지밀도 3배) 충·방전 2500회 동안 초기 성능의 90% 이상 유지할 수 있는 새로운 실시간 전기화학적 처리를 개발했다.
또 리튬이온 배터리의 새로운 전극 재료로 고용량 '실리콘 음극'과 '황-금속 화합물 양극’을 이용해 '황-금속 화합물 양극'-'리튬/실리콘 음극'으로 구성된 신규 고용량·고안정성 배터리를 개발하는데도 성공했다.
개발된 배터리는 무게당 저장 용량이 약 1150 mAh/g으로 현재 상용화된 리튬이온 배터리(150~200 mAh/g 수준)보다 약 여섯 배 높다.
사용 전압(1.5 ~ 2.0 V)을 고려한 에너지밀도에서는 약 세 배 이상 증가했다는 게 연구진의 설명이다.
엄 교수는 "이번 연구성과는 고용량·초저가인 황-금속 화합물 소재를 이용한 새로운 리튬이차전지의 성능 및 안정성을 상용에 가까운 수준으로 향상시켰다는데 가장 큰 의의가 있다"며 "추가적인 연구개발로 전기자동차(EV)와 에너지저장 시스템(ESS)으로 상용화해 이차전지 시장의 급격한 성장이 가능해질 것"이라고 말했다.
광주=임동률 기자 exian@hankyung.com