용량·안전성 높인 음극재로

3분만에 초고속 충전 가능

김원배 포스텍 교수 연구팀

국내 연구팀이 전기차 충전 소요시간을 대폭 줄이는 기술을 개발했다. 이 기술을 적용하면 커피 한 잔 마시는 시간인 3분 만에 초고속 충전이 가능할 전망이다.

김원배 포스텍 화학공학과·배터리공학과 교수 연구팀은 고용량과 안정성을 갖춘 혁신적 음극재를 개발했다는 연구결과를 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’에 표지논문으로 최근 발표했다고 26일 밝혔다.

배터리는 양극과 음극으로 구성된다. 두 극 사이에서 리튬 이온이 이동하며 전기가 저장되고 방출된다. 음극재는 리튬 이온을 저장하는 창고 역할을 한다. 배터리 충전속도와 용량은 음극재가 리튬 이온을 얼마나 많이 빠르게 리튬 이온을 저장하느냐에 달려있다.

과학계에서는 큰 용량과 안정성을 갖춘 ‘강자성 전환 음극재’가 주목받는다. 이 음극재는 배터리 충방전 과정에서 금속 산화물이 나노 크기의 강자성 금속으로 변환되며,일반 음극재에 비해 더 많은 리튬 이온을 저장한다. 기존 배터리보다 약 3배 더 용량이 큰 배터리를 구현할 잠재력이 있다고 분석된다.

그러나 현실화의 걸림돌로 불안정한 계면 형성,낮은 전도도 등이 꼽혔다. 포스텍 연구팀은 이 같은 문제를 해결했다. 우선 불소를 활용해 표면 극성을 높였다. 연구팀은 “불소의 강한 전기적 특성을 이용해 표면 극성을 높였다”며 “마치 자석처럼 리튬이온을 끌어당기는 기능을 하도록 해 더 많은 리튬 이온을 빠르게 저장할 수 있도록 했다”고 설명했다.

음극재의 리튬 이온 저장량도 늘렸다. 전자의 스핀 상태가 전극의 전기적 특성과 상호작용해 전하 저장 능력을 증가시키는도록 하는 ‘스핀-분극화된 커패시턴스’ 현상을 극대화했다.

그 결과,개발한 음극재는 약 3분 이내의 급속 충전 조건에서도 상용화 음극재 대비 최소 140% 이상 향상된 성능을 보였다. 300번의 급속 충방전 후에도 92% 이상의 용량을 유지했다. 연구팀은 안정성을 확보한 것이라 평가했다.

김 교수는 “이번 연구는 전기차의 주행거리,내구성,충전 속도를 모두 향상시킬 중요한 기술적 기반이 될 것”이라고 밝혔다.

김원배 포스텍 교수. [사진=포스텍]