더 많이 저장하고 폭발 위험도 낮췄다…배터리 기술개발

[포항=뉴시스]송종욱 기자 = ·

전기차 한 번 충전에 주행 거리 걱정 없이 달릴 에너지를 담고 폭발 위험을 더 낮춘 새로운 배터리 기술을 개발했다.

포항공과대학교(포스텍)는 연구진이 고에너지 밀도 전극 소재에 자기장으로 리튬 이온 흐름을 제어해 덴드라이트 형성을 억제하는 차세대 하이브리드 음극 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

포스텍 화학공학과·배터리공학과 김원배 교수, 화학공학과 강송규 박사, 통합과정 김민호씨 연구팀이 '망간-철(Mn-Fe)' 산화물 기반의 강자성 전환형 음극재에 외부 자기장을 적용, 리튬 이온의 이동 경로를 자기적으로 제어하는 마그네토-컨버전(전극 내 리튬 이온 플럭스와 핵 생성을 자기적으로 제어하는 하이브리드 음극 설계 기술)을 개발했다.
 
이 연구는 에너지 분야 국제 학술지인 '에너지와 환경 과학'에 소개했다.

전기차와 대용량 에너지 저장 장치 시장이 성장하며 '더 많이 저장하면서도 안전한 배터리'가 업계의 가장 큰 과제가 됐다.

리튬 금속 음극은 이론상 에너지 저장 용량이 매우 크지만 충전·방전을 반복하는 과정에 바늘처럼 자라나는 덴드라이트가 합선을 일으켜 폭발로 이어진다.
 
반면 현재 널리 쓰이는 흑연 음극은 용량 한계가 뚜렷해 차세대 기술이 절실한 상황이다.

'자석이 쇳가루 줄을 세우듯 리튬 이온 흐름을 정돈하자'는 아이디어로 망간-철 산화물 전환형 음극재 안에 리튬이 들어가면 강자성을 띠는 나노 입자가 생기는데 여기에 자기장을 걸면 이 입자들이 작은 자석처럼 배열된다.

이 같은 방식으로 리튬 이온이 한쪽으로 몰리지 않고 넓게 퍼져 흐른다. 이 과정에서 로렌츠 힘(자기장 속에서 전하가 받을 수 있는 힘)이 작용해 리튬 이온을 넓게 분산해 덴드라이트 대신 매끈하고 균일한 리튬 금속층이 쌓인다.

이 음극은 리튬 이온을 산화물 안에 저장하거나 표면에 금속 형태로 쌓는 것이 동시에 일어나는 '하이브리드형 음극'이다.

이에 따라 상용화된 흑연 음극보다 약 4배 높은 저장 용량을 구현했고 덴드라이트 없이 안정적으로 충방전이 가능했다. 특히 300회 이상 충방전 후에도 배터리 안정성을 보여주는 지표인 '쿨롱 효율'이 99% 이상 기록했다.

김 교수는 "이번 방식은 리튬 금속 음극의 가장 큰 약점인 불안정성과 덴드라이트 문제를 한꺼번에 해결하는 새로운 접근"이라며 "차세대 배터리 용량·수명·충전 속도를 모두 개선할 기반 기술이 될 것"이라고 전했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 선도 연구 센터, 중견 연구자 지원, 첨단 산업 특성화 대학원 지원(배터리)으로 수행했다.


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