[김원배 교수팀, 리튬 이온 배터리 음극재의 전자 스핀을 이용하여 용량과 충전 속도 향상]

보통 전기차를 충전하는데 약 10시간 정도 걸리며, 급속으로 충전하더라도 최소 30분이 소요된다. 그마저도 충전소에 내 차를 충전할 자리가 있을 때 가능한 얘기다. 만약 일반 자동차에 주유하듯 전기차를 빠르게 충전할 수 있다면 전기차 충전소 부족 현상 해소에 도움이 되지 않을까?

전기차에 사용되는 리튬 이온 배터리의 효율은 리튬 이온을 저장하는 음극재에 의해 좌우된다. 최근,  화학공학과/철강 · 에너지소재대학원 김원배 교수 · 화학공학과 박사과정 강송규 씨 · 통합과정 김민호 씨 연구팀은 ‘망간-철 산화물’ 음극재를 나노미터(nm) 두께의 시트 형태로 합성함으로써 이론 저장 용량의 한계보다 약 1.5배의 높은 용량을 구현할 수 있으며, 단 6분 만에 전기차를 충전시킬 수 있는 음극소재 기술을 개발했다. 이 연구는 우수성을 인정 받아 재료공학 분야에서 영향력이 높은 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’의 앞표지(front cover) 논문으로 게재됐다.

이번 연구에서 연구팀은 리튬 이온 저장 능력이 우수하고, 강자성 특성을 가지는 ‘망간-철 산화물’ 음극재가 더 많은 리튬을 저장할 수 있도록 합성 방법을 새롭게 설계했다. 먼저, 망간 산화물이 있는 용액에 철을 넣어 갈바닉 치환 반응^*1을 통해 안쪽에는 망간 산화물이, 바깥쪽에는 철 산화물이 분포된 이중구조물을 형성했다. 이후, 연구팀은 수열합성법^*2 등의 과정을 통해 ‘망간-철 산화물’ 음극재를 표면적이 큰 나노미터 두께의 시트 형태로 만들었다. 그 결과, 치환 반응으로 형성된 철 금속 나노 입자의 스핀-분극화된 전자 사용이 극대화되여 많은 양의 리튬 이온을 추가적으로 저장할 수 있었다. ‘망간-철 산화물’ 음극재가 낼 수 있는 이론적인 용량보다 50% 이상 늘리는 데 성공한 것이다.

음극재의 표면적이 증가함으로써 많은 양의 리튬 이온과 전자가 동시에 이동하는 것이 가능해져 기존에 배터리 충전 속도 역시 향상되었다. 실험 결과, 단 6분이면 현재 상용화된 전기차 음극재의 용량만큼 급속 충·방전시키기에 충분하다. 이번 연구를 통해 그동안 제어하기 어려웠던 합성 공정을 개선하여 음극재 이론 용량의 한계를 극복하고, 배터리 충전 속도를 대폭 향상시켰다.

연구를 이끈 김원배 교수는 “기존 음극재의 전기화학적 한계를 극복하고, 배터리 용량을 높일 수 있는 전자 스핀 활용 표면 설계에 대한 새로운 통찰력을 제공했다”며, “전기차의 내구성과 충전 속도 모두 향상시킬 수 있는 방안이 될 것”이라는 기대를 전했다.

한편, 이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 선도연구센터지원사업 및 산업통상자원부의 리튬기반 차세대 이차전지 성능고도화 및 제조기술개발 사업의 지원을 받아 수행됐다.

1. 갈바닉 치환 반응(galvanic replacement reaction)
금속이 자신보다 높은 환원전위를 가지는 금속 이온을 만날 때 일어나는 전기화학 반응

2. 수열합성법(hydrothermal method)
금속 이온을 함유하는 수용액을 고온, 고압으로 반응시켜 다양한 나노미터 및 마이크로미터 크기의 분말을 합성하는 방법이다.