나노기술로 이차전지 수명 3배 늘렸다

[박계현기자] 나노기술을 이용해 고출력은 물론 수명이 훨씬 길어진 리튬이온 이차전지가 개발됐다.

KAIST EEWS 대학원 최장욱 교수가 주도하고 김주성 연구원이 참여한 연구팀이 기존의 리튬이온 이차전지보다 출력은 5배 이상 높으면서도 수명은 3배 이상 길어진 리튬이온 이차전지 양극소재를 개발하는 데 성공했다고 27일 발표했다.

최장욱 교수 연구팀은 망간산화물이 만들어지기 직전 나노소재를 합성하는 단계에서 반응온도를 조절해 결정면의 구조를 분석했다. 그 결과 220도(℃)에서 망간이온의 용출이 억제되는 결정면과 리튬이온 이동을 원활하게 하는 면이 동시에 존재한다는 것을 발견했다.

각각의 결정면의 수명과 출력을 개선하자 전지의 출력이 5배 이상 향상됐다. 또 수명은 3배 이상 높아졌다. 특히 리튬-망간계 전지의 가장 취약한 부분이었던 고온에서의 수명이 10배 이상 연장됐다.

기존 전기자동차는 그동안 배터리 성능이 모터의 출력을 따라가지 못해 가속이 내연기관보다 느린 단점이 있다. 또 현재 가장 널리 상용화된 소재인 리튬-코발트계 양극소재는 가격이 비싸고 독성이 강하며 수명이 짧고 충·방전 시간이 긴 단점이 있었다.

이에 비해 최장욱 교수 연구팀이 이번에 연구한 리튬-망간계 양극소재는 원료가 풍부하고 가격이 저렴하며 친환경적이라는 장점이 있다. 또 고온 안정성이 뛰어나고, 높은 출력을 낼 수 있기 때문에 전기자동차용 전극 소재로 각광을 받고 있다.

최장욱 교수는 "배터리에 10 마이크로미터 수준의 덩어리 입자로 존재했던 리튬망간계 양극소재를 수백 나노 수준에서 결정면을 제어했다"며 "출력과 수명을 모두 획기적으로 개선했다"고 설명했다.

이어 최 교수는 "국내외 특허 출원을 완료했으며, 앞으로 기업과 연계해 2~3년 내 상용화할 계획"이라고 덧붙였다.

이번 연구 성과는 나노과학분야 학술지인 '나노 레터스' 온라인판 11월 27일자에 실렸다.