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세라믹 소재 전기차 '리튬공기전지' 개발...한 번 충전으로 서울-부산 왕복 가능
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세라믹 소재 전기차 '리튬공기전지' 개발...한 번 충전으로 서울-부산 왕복 가능
  • 김지연 기자
  • 승인 2020.10.15 11:55
  • 댓글 0
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상용화 난제였던 전지 수명이 떨어지는 고질적인 문제 해결
리튬공기전지는 리튬이온전지보다 10배 이상 더 많은 에너지 저장 가능
"차세대 전지로 주목받는 리튬공기전지의 상용화 앞당길 원천 소재 기술 개발"
"신규 세라믹 소재, 전자·리튬이온 동시 전달 가능...리튬공기전지 뿐만아니라 전지 분야에 사용 가능"
Advanced Energy Materials 표지 이미지로 실린 해당 연구결과 /사진=UNIST 제공

국내 연구진이 한 번 충전으로 1000km를 달릴 수 있는 전기차 전지 기술을 개발해 화제다.

울산과학기술원(UNIST)과 삼성전자 종합기술원 공동 연구팀이 리튬공기 전지 내부의 유기물질을 세라믹 소재로 바꿔 그 동안 상용화의 난제로 지적돼 오던 전지 수명 저하 문제를 해결했다고 15일 밝혔다. 

차세대 전지로 주목받고 있는 리튬공기전지(Li-air battery)는 공기 중 산소를 양극 물질로 사용하는 초경량 전지로 현재 각종 전자 기기와 전기차에 사용되는 리튬이온전지보다 10배 이상 더 많은 에너지 저장이 가능하다. 

또 공기 중 산소를 전극재로 쓰기 때문에 금속 소재를 사용하는 리튬이온전지보다 경량화도 유리하며, 가볍고 오래 달릴 수 있어 차세대 경량 전기차 전지로 각광받고 있다. 

그동안 전지 작동 과정에서 발생하는 활성산소 때문에 전지 수명이 떨어지는 고질적인 문제점을 연구진이 이번에 해결할 방법을 찾아낸 것이다. 

활성산소는 산소 원자를 포함한 화학적으로 반응성 높은 분자를 말한다. 리튬공기전지 작동 중에 발생된 활성산소가 전지 내부의 유기 물질을 지속적으로 분해시켜 전지의 수명을 저하시킨다.

[연구그림] (a) 새롭게 개발된 혼합도체를 적용한 리튬공기전지 셀 구성, (b) 주사전자현미경으로 관찰한 충·방전 전후의 혼합도체 세라믹 파티클의 형태 변화, (c) 100회 충방전에도 성능 저하 없는 우수한 수명 특성 규명. /UNIST 제공

연구진은 기존에 10회 미만이었던 충·방전 수명이 100회 이상으로 크게 개선한 것으로, 전지 내부의 유기물질을 고성능 세라믹 소재로 대체해 전지 수명을 획기적으로 향상시켰다고 설명했다. 

삼성전자 종합기술원 마상복 전문연구원(제1저자)은 "차세대 전지로 주목받는 리튬공기전지의 상용화를 앞당길 수 있는 원천 소재 기술을 개발했다는 데 큰 의의가 있다"고 말했다. 

[연구그림] (a) 양자역학 모델링(컴퓨터 모델링)을 통해 예측한 세라믹 소재의 조성에 따른 리튬 이온 전도도와 전기 전도도, (b) 페로브스카이트 결정 구조 내 리튬 이온의 확산 경로와 (c) 그에 따른 확산 활성화 에너지. 연두색 구: 리튬 이온, 하늘색 구: 타이타늄 이온, 노란색 구: 란타늄 이온, 빨간색 구: 산소 이온.  /UNIST 제공

연구진은 고체 형태인 세라믹 소재가 우수한 이온 전도성과 전자 전도성을 동시 갖췄다는 점도 주목받고 있다고 설명했는데, 일반적으로 세라믹 물질은 이온전도성만 높지만 이번에 개발된 물질은 전자 전도성이 뛰어나 전지의 다양한 구성 부품에 사용될 수 있다고 한다. 

또한 밀도범함수 이론(DFT, Density Functional Theory) 기반의 양자역학 모델링 기법을 통해 이온과 전자 모두 높은 전도성을 갖는 물질을 찾았으며, 이를 통해 망간 또는 코발트를 품고 있는 페로브스카이트 구조의 세라믹 소재가 높은 리튬이온전도도와 전자 전도도를 동시에 갖는 사실을 밝혀냈다. 

UNIST 서동화 교수(교신저자) /사진=UNIST 제공

UNIST 서동화 교수(교신저자)는 "신규 세라믹 소재는 전자와 리튬이온을 동시에 전달할 수 있기 때문에 리튬공기전지 뿐만아니라 전지 분야에 사용될 수 있을 것"이라고 밝혔다. 

해당 연구 결과는 에너지 재료 분야 저명 학술지인 어드밴스드 에너지 머터리얼즈의 표지 논문으로 선정돼 지난 13일 논문명 'Mixed Ionic–Electronic Conductor of Perovskite LixLayMO3−δ toward Carbon‐Free Cathode for Reversible Lithium–Air Batteries'로 출판됐다. 


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