국제학술지 '어드밴스트 펑셔널 머티리얼스' 앞표지 논문으로 실려
[서울파이낸스 문영재 기자] 국내 대학이 전기자동차 충전을 6분 만에 끝낼 수 있는 기술을 개발했다.
포항공과대학교는 화학공학·철강·에너지소재대학원 김원배 교수, 화학공학 박사과정 강송규씨, 통합과정 김민호씨 연구팀이 배터리 충전 시간을 획기적으로 줄일 수 있는 음극재 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.
전기차에 쓰이는 리튬 이온 배터리 효율은 리튬 이온을 저장하는 음극재에 의해 좌우된다. 연구팀은 리튬 이온 저장 능력이 우수하고 강자성 특성을 지닌 '망간-철 산화물' 음극재를 나노미터(nm) 두께의 새로운 시트 형태로 합성, 이론 저장 용량보다 약 1.5배 더 높은 용량을 저장할 수 있도록 했다.
구체적으로 망간 산화물이 있는 용액에 철을 넣어 갈바닉 치환 반응을 얻었고, 이를 통해 안쪽에는 망간 산화물이, 바깥쪽에는 철 산화물이 분포하는 이중구조물을 형성했다. 이어 금속 이온을 함유하는 수용액을 고온·고압으로 반응시켜 다양한 나노미터 및 마이크로미터 크기의 분말을 합성하는 수열합성법으로 망간-철 산화물 음극재를 표면적이 큰 나노미터 두께 시트 형태로 만들었다.
결과적으로, 망간-철 산화물 음극재가 낼 수 있는 이론 저장 용량보다 더 많은 양의 리튬 이온을 추가로 저장했다. 음극재 표면적 증가로 많은 양의 리튬 이온과 전자가 동시에 이동함에 따라 배터리 충전 속도도 빨라졌다. 배터리 충전 속도의 경우, 상용화된 전기차 전지의 음극재 용량 만큼 충전하는 데 6분이 걸리는 것으로 나타났다. 현재 전기차 충전은 완충까지 보통 약 10시간 걸리고 급속으로 충전을 하더라도 최소 30분이 소요된다.
연구를 이끈 김원배 교수는 "이번 연구를 통해 그동안 제어하기 어려웠던 합성 공정을 개선해 음극재 이론 저장 용량의 한계를 극복하고, 배터리 충전 속도를 대폭 향상했다"면서, "전기차 내구성과 충전 속도 모두 개선할 수 있는 방안이 될 것"이라고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 선도연구센터지원사업 및 산업통상자원부의 리튬기반 차세대 이차전지 성능고도화·제조기술개발사업 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 재료공학 분야 국제학술지 '어드밴스트 펑셔널 머티리얼스' 앞표지 논문으로 실렸다.
