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이제는 자유롭게 충전하는 [2차전지] 기술!
과연 우리의 배터리 기술은 어디까지 발전했을까?!
리튬 이온 배터리에서부터 전고체 배터리까지!
오늘은 ‘공진’ 연구원이 지난 랩미팅 교수님들의 요청을 받아
[2차 전지]에 대해 알아보실 수 있도록 발표를 준비했습니다!
과학을 모르면 모를수록 교수님과 랩장으로 모시는,
본격 역수직 관계 토크쇼 [안될과학 랩미팅 LIVE]!
[안될과학 랩미팅 LIVE]는 매주 화요일 밤 11시에 찾아옵니다!
#배터리 #2차전지 #리튬이온 #전고체배터리 #충전지
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삼성SDI 자동차배터리 – 배터리 기술, 품질 및 R&D 소개
그래서 삼성SDI는 용적당 더 높은 에너지 밀도의 배터리를 생산하고자 노력하고 있습니다. 세계 최고의 IT기기용 배터리 기술을 통해 삼성SDI는 파워트레인 성능, 연비, CO …
Source: www.samsungsdi.co.kr
Date Published: 4/30/2022
View: 5793
日도 흉내 못낸 세계 유일 배터리 기술…한국 중소기업이 해냈다
LTO배터리는 현재 양산되는 2차 전지 가운데 가장 첨단 기술이 집약된 제품이다. 기존 전기차 노트북 등에 들어가는 리튬이온배터리는 저온에선 충·방전이 …
Source: www.hankyung.com
Date Published: 1/6/2022
View: 506
배터리 기술동향
차세대 배터리 기술 개발 방향. •• 리듐이온전지 에너지 밀도 350Wh/kg, 800Wh/L까지 개발 예상. – 소형 원형 전지 에너지 밀도가 가장 높으며 중대형 전지도 원현 …
Source: www.kictex.re.kr
Date Published: 8/14/2021
View: 1338
배터리 기술
배터리 기술. 라만 분광기는 연구 개발 분야에서 리튬-이온 배터리 특성화에 적합한 도구입니다. Renishaw의 inVia 칸포칼 라만 현미경은 재료에 대한 기초 작업부터 …
Source: www.renishaw.co.kr
Date Published: 2/6/2021
View: 190
1회 충전에 800㎞ 달리는 전기차…’꿈의 배터리’ 개발 성공
에너지 밀도 높아…’꿈의 배터리’ 기술. 이번에 연구팀이 개발에 성공한 전지는 전고체 리튬메탈 전지다. 전고체 전지는 리튬 이온이 이동하는 전해질을 …
Source: www.joongang.co.kr
Date Published: 1/3/2022
View: 1016
2차 전지 기술 및 시장 동향 – 한국자동차기자협회
LTO 배터리 기술LTO 배터리는 상대적으로 에너지 밀도는 낮으나 빠른 충전 속도(10C 기준 6분), 우수한 저온 성능(-30도), 강한 출력(10C), …
Source: www.kaja.org
Date Published: 8/16/2022
View: 5683
기초연구로 차세대 배터리 돌파구 찾아야
기존 리튬이온배터리는 보통 양극을 산화물로, 음극을 흑연으로 구성하는데, … 꿈의 소재로 불리는 그래핀을 활용한 대용량 배터리 기술도 개발되고 있다.
Source: www.ibs.re.kr
Date Published: 12/30/2021
View: 2064
“전기차 주행거리 800㎞ 가능”…신개념 고성능 배터리 기술 개발
김범준 카이스트(KAIST) 생명화학공학과 교수팀과 이승우 미국 조지아공대 교수팀은 차세대 배터리로 꼽히는 ‘전고체 전지’의 기술 수준을 크게 끌어올린 …
Source: www.khan.co.kr
Date Published: 3/17/2022
View: 9534
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주제에 대한 기사 평가 배터리 기술
- Author: 안될과학 Unrealscience
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- Date Published: 2020. 10. 16.
- Video Url link: https://www.youtube.com/watch?v=7dNvWRzFC3Y
삼성SDI 자동차배터리 – 배터리 기술, 품질 및 R&D 소개
Innovation
우리의 혁신으로 고객에게 전기자동차의 꿈을
앞당깁니다.
여러분이 어떤 상상을 하시든 삼성SDI 배터리의 새로운 혁신이 자동차 제조자와 내일의 운전자들을 위하여 그러한 꿈들을 현실로 만들어 드립니다.
日도 흉내 못낸 세계 유일 배터리 기술…한국 중소기업이 해냈다
국내유일 차세대 2차전지 생산 中企…북유럽서 ‘인기몰이’
세계유일 파우치형 LTO배터리 양산 ‘그리너지’
글로벌 완성차·전기차·철도·건설장비업체서 일감 확보
저온·고온서도 안전하고 성능 탁월…출력 3배 수명 7배↑
그리너지 충주 배터리셀 생산 공장
日도 흉내 못낸 세계 유일 ‘파우치형’LTO배터리 양산 기술
방성용 그리너지 대표가 LTO배터리에 대해 설명하고 있다
전세계 전기차 배터리시장 출사표…철도 건설장비 등 시장서 두각
그리너지 서울본사 임직원 사진
차세대 2차전지인 리튬티탄산화물(LTO) 배터리의 국내 유일한 양산업체인 그리너지가 네덜란드 건설장비업체로부터 5년간 240억원 규모의 일감을 확보했다. 글로벌 완성차·전기차업체를 비롯해 철도·중장비업체들과 공동 개발중인 2차전지 사업들이 조금씩 수익을 내기 시작하면서 내년 매출도 500억원이상을 기록할 전망이다.LTO배터리는 현재 양산되는 2차 전지 가운데 가장 첨단 기술이 집약된 제품이다. 기존 전기차 노트북 등에 들어가는 리튬이온배터리는 저온에선 충·방전이 잘 안되고 급격한 온도 상승에 폭발하는 등 성능과 안전성에 문제가 있었다. 하지만 LTO배터리는 영하 30도에서도 충전이 가능하고 400도 이하의 온도에서는 불이 나지 않아 안정성이 높다. 또 출력 성능은 3배로 강해지고 충전시간은 10분의 1로 짧아졌으며 배터리 수명은 7배 길어졌다.그리너지는 국내 유일한 LTO배터리 생산기업이자 세계에서 유일하게 설계가 자유로운 ‘파우치형’LTO배터리 양산업체다. 세계 최대 LTO배터리업체인 일본 도시바도 파우치형LTO배터리는 아직 양산하지 못하고 있다. 그리너지는 LTO배터리 기술과 관련, 국내 특허 13개, 국제 특허 9개를 가지고 있다.2017년 그리너지를 설립한 방성용 대표는 현대자동차와 LG전자, 애플과 테슬라 등에서 20년간 2차전지와 전기차를 연구해온 전문가다. 그는 대기오염의 ‘주범’ 중 하나인 디젤엔진 시장을 대체하는 기술이라는 점에 매력을 느껴 차세대 2차전지 개발사업에 뛰어들었다.그리너지 제품은 북유럽에서 수요가 높다. 환경 정책으로 2차 전지 수요는 높은 편이지만 추운 날씨 때문에 충·방전 성능이 떨어지는 사례가 많기 때문이다. 그리너지는 네덜란드 건설장비업체 스타드(STAAD)와 양해각서(MOU)를 체결해 내년부터 5년간 2000대 가량(240억원 규모)의 이동용 에너지저장장치를 공급할 수 있게 됐다. 한 개의 장치엔 수백 개의 LTO배터리가 들어간다. 건설현장에서 전동공구에 전원을 공급해온 기존 디젤발전기를 대체하는 용도다.핀란드에선 차세대 노면전차(트램) 개발사업에 참여해 내년부터 LTO배터리를 시범 공급할 예정이다. 예상 매출만 수백억원에 달한다. 이를 위해 오는 4월 핀란드 현지 법인도 설립하기로 했다. 그리너지는 이미 지난해 10월부터 차세대 고속철도에 들어가는 비상전원용 배터리 개발사업을 과학기술정보통신부 연구 과제로 수행하고 있다. 그동안 철도용으로 카드뮴배터리를 주로 써왔지만 충전시 전해액을 교체해야하는 번거러움과 인체에 유해한 물질이라는 점 때문에 LTO배터리 수요가 점차 높아지고 있다.그리너지는 글로벌 완성차업체 한 곳과는 2025년 공급을 목표로 전기차용 차세대 배터리를 공동 개발하고 있다. 미국 캘리포니아주의 글로벌 전기차 업체 두 곳과도 배터리 공급을 논의중이다. 그리너지는 지난해 중소벤처기업부와 창업진흥원이 개최한 ‘K-스타트업 센터’의 통합 데모데이에서 최종 우승하기도 했다.독보적인 기술력을 인정받자 투자자들도 줄을 선 상태다. 국내에선 이미 여러차례 수백억원 규모의 투자유치에 성공했고 올 하반기엔 미국계 대형 투자은행(IB) 주도로 스케일업(성장) 용도의 500억~1000억원 규모 투자 유치가 추진된다. 올해 매출은 국내 스마트 표지판, 캠핑카, 방역용 로봇 등에 공급되는 LTO배터리 물량으로 80억원으로 예상된다. 하지만 현재 R&D중인 사업이 매출로 전환되는 내년엔 올해보다 매출이 6배 이상 증가할 전망이다. 2027년 매출 1000억원 달성이 목표다. 이를 위해 경기 안산, 충북 충주 등의 기존 생산 공장도 내년 초까지 4배로 증설할 계획이다.방성용 대표는 “악천후에도 안정적 성능과 고출력이 요구되는 건설장비 선박 철도 등 관련 2차 전지 시장은 연간 53조원에 달한다”며 “기존 리튬전지의 문제점을 극복한 LTO배터리로 이 시장을 적극 공략할 것”이라고 말했다.안대규 기자 [email protected]
배터리 기술
자동차 R&D는 점점 더 차세대 하이브리드 및 전기차(EV)를 위한 새로운 추진 기술에 초점을 맞추고 있습니다. EV 제품 개발의 핵심은 모터 효율성과 배터리 효율성을 통해 확장된 범위를 추구하는 것입니다.
Renishaw의 라만 기술은 가장 적합한 재료를 개발하고 관련 성능의 한계를 파악할 수 있도록 비파괴적인 배터리 화학 성분 모니터링 및 이미징 방법을 제공합니다. 예를 들어 자동차 배터리 제조업체는 Renishaw의 inVia™ 칸포칼 라만 현미경을 통해 다양한 작동 조건(예: 고속 충전 및 극한의 온도)에서 배터리 화학 성분을 검사하여 배터리가 어떻게 반응하는지 확인하고 효율성 개선 방안을 모색할 수 있습니다.
1회 충전에 800㎞ 달리는 전기차…‘꿈의 배터리’ 개발 성공
한 번 충전으로 최대 800㎞까지 달리는 전기자동차를 만들 수 있는 신개념 배터리 기술이 개발됐다.
한국과학기술원(KAIST)은 생명화학공학과 김범준 교수 연구팀과 미국 조지아공대 이승우 교수 연구팀이 공동 연구를 통해 ‘엘라스토머 고분자 전해질’을 개발하고, 세계 최고 성능의 전고체 전지를 구현했다고 13일 밝혔다.
에너지 밀도 높아…‘꿈의 배터리’ 기술
이번에 연구팀이 개발에 성공한 전지는 전고체 리튬메탈 전지다. 전고체 전지는 리튬 이온이 이동하는 전해질을 고체로 만든 배터리를 말한다. 전고체 리튬메탈 전지는 전고체 전지의 음(-)극을 리튬메탈로 쓴 전지인데, 고용량 배터리를 만들기 위해 개발된다.
전고체 리튬메탈 전지는 현재 널리 쓰이고 있는 리튬이온 전지에 비해 에너지 밀도가 획기적으로 높아 더 많은 자동차 주행거리를 확보할 수 있다. 화재 위험도 적어 ‘꿈의 배터리 기술’로 불린다.
연구팀은 새로운 물질을 개발해 기존 전고체 전지의 단점을 보완했다. 바로 ‘엘라스토머 고분자 전해질’이다. 기존 전고체 전지는 가격이 너무 비싸거나 이온 전도도가 낮다는 단점이 있었다.
반면 고무의 특성을 가진 엘라스토머는 가격이 싸다. 또 가볍고 잘 늘어나 탄성이 좋다. 다만 고무 소재다 보니 이온 전도도가 매우 낮았다.
연구팀은 이를 해결하기 위해 엘라스토머 내부에 이온 전도성이 높은 플라스틱 결정을 3차원으로 연결했다. 쉽게 말해 전기가 통하지 않는 고무에 이온을 전달할 수 있는 3차원 통로를 가진 물질을 새롭게 디자인한 것이다.
안정성·에너지 밀도 높은 ‘엘라스토머’
김범준 교수는 “엘라스토머 전해질은 배터리 충·방전 때 안정성이 높고, 에너지 밀도가 촘촘해 신개념 배터리로 적합하다”고 설명했다.
전기차 배터리에 쓰이는 전지는 충전과 방전을 반복하면 배터리 부피가 커졌다 줄어졌다 하면서 안정성이 떨어지게 된다. 엘라스토머는 탄력성이 높아 배터리 충·방전 시 리튬이 오가도 부피가 자유롭게 늘어났다 줄어든다. 반복적인 충전에도 안정적으로 배터리를 사용할 수 있다는 의미다.
고용량 배터리를 만드는 데도 뛰어난 성능을 보여준다. 엘라스토머는 4.5볼트(V)의 고전압에서도 안정적인 구동을 보인다. 기존에는 전압이 4V가 되기 전에 배터리가 불안정해지는 경우가 많았는데, 엘라스토머는 고전압에서도 잘 버틴다. 이렇게 에너지 밀도가 높아지면 같은 무게의 배터리에 훨씬 많은 에너지를 담을 수 있다.
김범준 교수는 중앙일보와 전화 통화에서 “세계 최고 성능의 전고체 전지를 개발한 것도 맞지만, 엘라스토머 전해질이라는 기존에 없던 새로운 종류의 고체 전해질을 개발해 원천 기술을 확보했다는 것에 큰 의미가 있다”고 말했다. 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처’에 13일자로 게재됐다.
기초연구로 차세대 배터리 돌파구 찾아야
스마트폰, 스마트 워치, 드론, 전기차, 웨어러블 전자기기. 이들의 공통점은 배터리 없이는 구동이 안 된다는 것이다. 특히 차세대 친환경차로 ‘혁신의 아이콘’ 테슬라의 자율주행 전기차를 비롯해 쉐보레 볼트, 현대차의 아이오닉처럼 이미 도로를 질주하고 있는 전기차의 성능은 배터리로 가늠된다. 1회 충전 시 주행 가능거리가 전기차를 판단하는 기준이다.
배터리의 중요성은 스마트 기기와 전기차, 드론 등에만 국한되지 않는다. 심박 조율기, 삽입형 심장박동 모니터기, 척추 신경 자극기처럼 인체 기관을 보조하거나 모니터링할 수 있는 체내형 의료장치에도 배터리는 필수다. 대부분 배터리 용량이 제한적이어서 일정 시간이 지나면 배터리를 교체하는 재수술이 필요하다.
다가오는 미래사회에서 배터리의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다. 배터리는 한 번 사용한 뒤 방전되면 폐기하는 1차전지와 수백 회 이상 재충전해서 사용 가능한 2차전지로 구분되는데, 스마트 기기와 전기차, 의료용 장치 등에 사용되는 것은 2차전지다.
2차전지는 양극과 음극, 전해질, 분리막으로 구성된다. 양극과 음극의 전압 차이에 의해 전해질 내의 이온이 충‧방전 과정에서 분리막을 통과하며 양극 및 음극 소재와 반응하는 과정을 통해 전기에너지를 생산하고 저장하는 게 2차전지의 핵심 구동 원리다. 이때 핵심 소재가 무엇이냐에 따라 배터리의 성능은 달라진다.
리튬이온배터리 한계와 차세대 배터리 개발 경쟁
현재 사용되고 있는 2차전지 중 가장 많이 활용되고 있는 것은 리튬이온배터리다. 리튬이온을 이용해 전기에너지를 생산하고 저장한다. 리튬은 금속 원소 중 가장 가볍고 가장 낮은 반응 전압을 가진다. 이론적으로는 단위 무게당 에너지 밀도가 매우 높아 스마트폰을 비롯한 다양한 기기에 리튬이온배터리가 활용되고 있다. 실제로 리튬이온배터리를 스마트 기기들이 채택하기 시작하면서 노트북PC나 스마트폰이 더 작아지고 얇아졌으며 가벼워졌다.
▲ 리튬이온배터리는 전기차 보급과 맞물려 수요가 더욱 증가할 것으로 예상된다. Ⓒshutterstock
하지만 리튬이온배터리를 적용하는 분야가 많아지면서 리튬이온배터리의 한계도 속속 드러나고 있다. 기존 리튬이온배터리는 보통 양극을 산화물로, 음극을 흑연으로 구성하는데, 이러한 소재를 최적으로 구성해 이론용량 최대치를 끌어내는 방식으로 개발됐다. 전기차나 드론처럼 전기에너지 용량이 더 많이 필요한 응용 분야에서는 수명이나 출력, 안전성, 가격 등이 리튬이온배터리의 단점으로 지적되고 있다.
2016년 삼성전자의 갤럭시노트7의 발화 사건으로 리튬이온배터리의 안전성 문제도 도마에 올라 있다. 갑작스런 충격이나 압력 변화에 전지 내부 구조가 변형되면 온도가 상승해 폭발할 수 있다는 위험성은 이미 알려진 사실이다. 온도가 낮은 환경에서 사용하면 갑작스럽게 방전되거나 사용 기간이 길어질수록 전기에너지 저장 용량이나 충전 성능 등의 효율이 떨어지는 것도 리튬이온배터리의 단점이다. 최근에는 리튬이온배터리의 핵심 소재인 리튬의 가격이 최고치에 올랐다는 소식도 전해져 리튬이온배터리의 미래를 어둡게 하고 있다. 미국 뉴욕증권거래소(NYSE)에 상장된 ‘글로벌 엑스 리튬 상장지수펀드(ETF)’를 살펴보면 2016년 1월 20일 17.56달러에 거래됐던 리튬ETF가 2017년 1월 19일 26.20달러에 장을 마감하며 49.2% 상승했다.
이 같은 상황에서 새로운 개념의 2차전지 기술 개발에 전 세계가 뛰어들고 있는 것은 그리 놀라운 일이 아니다. 특히 삼성SDI와 LG화학 등 기업 및 연구소가 한국이 리튬이온배터리 시장 점유율 1위에 오르는 데 결정적인 역할을 했다. 한국을 비롯해 일본, 중국, 독일, 미국 등 선진국들은 리튬이온배터리의 한계를 극복하는 연구부터 리튬이 아닌 다양한 소재로 전극을 개발하는 원천기술과 기초연구에 대한 투자를 아끼지 않고 있다.
차세대 배터리 앞당기는 기초연구
다양한 응용 분야에서 차세대 배터리를 개발하기 위한 기초연구가 진행되고 있다. 전기자동차용으로는 전고체전지, 금속공기전지, 리튬황전지 등이, 전력저장용으로는 나트륨이온전지 등이 유망한 후보로 거론되고 있다. 이 차세대 전지들은 새로운 소재와 배터리 셀 내부 구조를 개선해 용량이나 수명, 에너지밀도, 안전성을 향상시키는 게 목적이다.
▲ 리튬이온 이차전지와 펨토초 레이저 모식도. ⒸIBS
이 같은 차세대 배터리를 개발하기 위해서는 다양한 소재의 특성을 이해하고 반응물질의 구조를 최적화하는 기초연구가 절대적으로 필요하다. 우선 기존 리튬이온배터리의 한계를 극복하기 위한 고성능 리튬이온배터리 연구가 이뤄지고 있다. 리튬합금 음극 소재와 니켈-코발트-망간 양극 소재를 이용해 배터리의 용량을 높이는 시도가 이어지고 있다. 액체전해질의 가연성물질을 가공해 연소를 어렵게 하고 분리막 안전성을 확보해 전기차용 중대형 배터리에 적용하겠다는 계획이다.
리튬이온배터리 내의 전해질의 성능을 높이기 위한 토대가 되는 기초연구도 차세대 리튬이온배터리 개발에 활용될 가능성이 높다. 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단과 군산대 화학과 공동연구진은 리튬이온배터리의 전해질 내에서 리튬이온이 이동하는 과정을 실시간으로 관측하는 데 성공했다. 1000조분의 1초 단위로 전해질 내의 분자 움직임을 포착해 전해질 내에서의 이온 움직임에 관한 새로운 이론을 제시할 가능성을 열고 차세대 리튬이온배터리에 적용하기 위한 후속연구를 진행 중이다.
김동철 서강대 교수 연구팀은 지난 4월 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 고성능의 리튬이온배터리를 만들 수 있는 미세구조 설계 기술을 개발했다. 연구팀은 전지의 양극을 구성하는 양극재를 작은 구멍을 갖는 다공성 구조로 설계할 때, 리튬이온배터리의 성능을 의미하는 ‘비용량’이 크게 향상된다는 것을 밝혀냈다. 고출력 사용 조건에서 다공성 구조 양극재의 비용량 손실이 기존의 단순 구형 양극재보다 최대 98%까지 줄어드는 것으로 나타났다.
▲ 리튬이온배터리의 양극(A)을 구성하는 양극재를 단순 구형 구조(B 위쪽)와 다공성 구조(B 아래쪽)로 설계했을 때 리튬이온이 유입되는 양상을 시뮬레이션으로 도식화한 그림. Ⓒ서강대
꿈의 소재로 불리는 그래핀을 활용한 대용량 배터리 기술도 개발되고 있다. IBS의 나노물질 및 화학반응 연구단 유룡 단장 연구진은 제올라이트 주형과 란타늄 촉매를 이용한 나노주형 합성법을 활용해 마이크로 다공성 3차원 그래핀 합성에 성공했다. 이를 그래핀 기반 2차전지의 음극 소재로 활용해 정전 용량을 3배가량 높일 수 있는 대용량 배터리 기술의 가능성을 확인했다.
▲ 산소(O), 알루미늄(Al), 실리콘(Si) 원소로 구성된 광물인 제올라이트에 탄소(C)가 결정화 돼, 3차원 그래핀을 형성한 모습. ⒸIBS
고성능 저비용의 2차전지 및 연료전지 개발을 기대할 수 있는 연구 성과도 나오고 있다. IBS 나노입자 연구단의 성영은 그룹리더(서울대 교수) 연구팀은 저비용 고효율의 황과 질소가 도핑된 그래핀 합성 기술을 개발하고 이를 2차 전지 및 연료전지에 적용해 고성능 전극을 저비용으로 제조할 수 있는 연구 결과를 내놨다.
2차전지는 에너지 밀도를 높일 수 있는 새로운 전극 개발이 필요하고 연료전지는 값비싼 백금 촉매를 대체할 전극 개발이 절실하다. 그래핀은 전도성, 유연성, 내구성 등 탁월한 물리적 성질이 있어 전기화학 촉매나 배터리의 전극 소재로 성능이 우수하다. 성영은 교수 연구팀은 흔히 쓰는 시약인 가성소다와 헤테로 원자가 함유된 유기용매를 사용해 황과 질소가 도핑된 그래핀을 합성한 뒤 리튬이온배터리 전극에 적용해 성능을 실험했다. 그 결과 리튬이온이 전해질 내를 이동하는 거리가 단축돼 전기에너지 출력이 우수하다는 사실을 밝혔다. 도핑된 그래핀은 황과 질소의 도핑 함유량이 높고 비표면적이 넓은 장점이 있기 때문인 것으로 분석됐다.
기하급수적으로 늘어날 것으로 예상되는 차세대 2차전지 기술 경쟁에서 새로운 소재를 발굴하고 특성을 높이고, 전해질과 분리막의 메커니즘을 규명하는 연구는 차세대 2차전지를 새로운 성장동력으로 자리매김하기 위해 절대적으로 필요하다. 현재 연구되고 있는 결과들이 차세대 2차전지 개발에 반영된다면 한국이 양산 배터리 시장뿐만 아니라 차세대 2차전지 시장도 주도할 것으로 기대된다.
본 콘텐츠는 IBS 공식 블로그에 게재되며, blog.naver.com/ibs_official/ 에서 확인하실 수 있습니다.
“전기차 주행거리 800㎞ 가능”…신개념 고성능 배터리 기술 개발
한 번 충전하면 500㎞ 내외인 현재의 전기 자동차 최장 주행거리를 800㎞로 대폭 늘릴 수 있는 신개념 배터리 기술이 개발됐다.
김범준 카이스트(KAIST) 생명화학공학과 교수팀과 이승우 미국 조지아공대 교수팀은 차세대 배터리로 꼽히는 ‘전고체 전지’의 기술 수준을 크게 끌어올린 공동연구 결과를 13일 국제 학술지 ‘네이처’에 발표했다.
전고체 전지는 리튬 이온이 이동하는 통로인 양극과 음극 사이의 ‘전해질’을 기존 배터리처럼 액체가 아닌 고체로 만든 것이 특징이다. 이런 전고체 전지 가운데에서도 연구진이 개발 대상으로 삼은 건 ‘전고체 리튬메탈전지’이다. 전해질을 고체로 만들고, 특히 음극재로는 리튬 금속을 사용해 붙은 이름이다.
연구진이 만든 전고체 리튬메탈전지는 안전하다. 휘발성이 높은 액체 전해질을 고체로 바꿨기 때문에 화재를 방지할 수 있다. 특히 현재 널리 쓰는 리튬이온전지보다 에너지 밀도가 높다. 연구진은 모든 이차전지 가운데 세계 최고 수준인 410Wh/㎏의 에너지 밀도를 실현했는데, 전기 자동차에 장착하면 주행거리를 크게 늘릴 수 있다. 연구진은 한 번 충전하면 약 500㎞인 현재의 전기 자동차 주행거리를 이 기술로 800㎞까지 연장할 수 있을 것으로 내다봤다. 1.6배가 늘어나는 것이다. 서울과 부산 사이를 추가 충전 없이 왕복할 수 있다.
연구진이 이런 성과를 얻은 건 고무처럼 신축성 있는 합성수지인 ‘엘라스토머’를 전해질로 썼기 때문이다. 엘라스토머는 전고체 전지 연구를 위해 이용되는 다른 물질보다 값이 싸고 가볍다. 하지만 이온 전도성이 없다. 즉 전류가 흐르지 않는다. 연구진은 이온 전도성을 높이는 특수 플라스틱 결정을 엘라스토머에 넣어 문제를 해결했다. 엘라스토머를 통해 전지를 충전 또는 방전할 때 생기는 불순물을 억제하는 효과도 얻었다. 김범준 교수는 “기존과는 다른 고체 전해질을 개발해 새로운 소재 원천 기술을 확보한 것에 큰 의의가 있다”고 말했다.
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