폭발 위험 없이 단 한 번 충전으로 최대 1000㎞를 갈 수 있는 차세대 장거리 주행 배터리 개발에 청신호가 켜졌다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 이현욱 교수팀이 배터리 양극 신소재인 과리튬 소재의 산소 발생 원인을 규명하고, 이를 해결할 소재 설계 원리를 제시했다고 18일 밝혔다.

폭발 위험 없이 단 한 번 충전으로 1000㎞를 갈 수 있는 차세대 장거리 주행 배터리 개발을 위한 원리를 제시한 울산과학기술원 이현욱(왼쪽) 교수와 김민호 박사. 울산과학기술원 제공

과리튬 소재는 이론적으로 4.5V 이상의 고압 충전을 통해 배터리에 기존보다 30%∼70% 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 전기차 주행거리로 따지면 한 번 충전으로 최대 1000㎞를 갈 수 있다. 그러나 이 소재는 고압 충전 과정에서 소재 내부 산소가 산화돼 기체 형태로 방출되면서 폭발 위험이 커지는 문제가 있다.

이에 연구팀은 4.25V 부근에서 산소가 산화되면서 부분적인 구조 변형이 발생해 산소 가스가 방출된다고 점을 알아내고, 산소의 산화를 원천적으로 막는 전극 소재 설계 방식을 제시했다. 과리튬 소재의 전이금속 일부를 전기음성도가 더 낮은 전이금속 원소로 치환하는 전략이다.

두 금속 원소 간 전기음성도의 차이로 전기음성도가 큰 원소 주변으로 전자가 몰리면, 전이금속의 가용 전자 수가 증가해 산소가 산화되지 않는다. 반면 전이금속의 가용 전자 수가 부족한 상황에서는 산소가 전자를 대신 주고 산화돼 기체 형태로 배출된다.

제1저자인 UNIST 김민호 박사는 “기존 연구는 산화된 산소를 안정화해 기체 형태로 배출되는 것을 막는 데 주력한 반면, 이번 연구는 산소의 산화 자체를 막는 데 집중한 것이 차별점”이라며 “이 같은 전자 밀도 변화는 유도효과로 충전 전압을 상승시켜 배터리 단위 무게당 더 많은 에너지를 저장할 수 있게 되는데, 에너지 밀도는 가용 전자 수와 충전 전압에 비례하기 때문이다”고 설명했다.

이현욱 교수는 “양극재 연구자들에게 소재 개발 방향성을 제시했다”며 “에너지 밀도를 높인 폭발 없는 장거리 주행 배터리 소재 개발에 도움이 될 것”이라고 말했다.

연구 결과는 미국과학협회(AAAS)에서 발행하는 ‘사이언스’(Science)의 자매지인 ‘사이언스 어드밴시스’(Science Advances)에 2월 19일 온라인으로 게재된다.