리튬공기 배터리, 이론적으론 리튬이온 10배 용량… 활성산소 탓 구현 한계
서동화 UNIST 교수·삼성전자 종기원, 고성능 세라믹 도입해 해결
"2022년엔 5분 충전으로 600km 주행 기술도 개발 계획"

연구팀의 성과가 표지논문으로 실린 저널 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’ 표지./UNIST 제공

1회 충전으로 1000km 거리를 주행할 수 있는 전기차 배터리의 상용화를 앞당길 기술이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 삼성전자(005930)종합기술원과 함께 세라믹 소재의 리튬공기 배터리의 한계로 지적돼온 수명 저하 문제를 해결했다고 15일 밝혔다. 연구성과는 지난 13일 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 표지논문으로 선정됐다.

연구팀에 따르면 이론적으로 리튬공기 배터리는 현재 널리 쓰이고 있는 리튬이온 배터리보다 10배 많은 에너지를 저장할 수 있다. 리튬이온 배터리의 일부 금속 부분(전극재)을 기체인 산소로 대체해 더 가볍다는 장점도 있다. 하지만 배터리 작동 시 산소가 활성 산소로 바뀌는 화학반응이 일어나는 문제가 있다. 활성산소는 배터리의 수명을 떨어뜨린다.

연구팀은 배터리 내부의 유기물질을 세라믹 소재로 대체해 이같은 반응이 일어나지 않도록 했다. 그 결과 기존에는 10번 충·방전을 반복하면 사용이 힘들어졌지만, 100번 이상 반복할 수 있게 됐다.

세라믹 자체의 특성도 개선했다. 배터리의 두 전극을 오가며 전기를 전달하는 이온과 전기 중, 기존 세라믹은 이온만 잘 이동시켰다. 연구팀이 개선한 고성능 세라믹은 전자도 잘 이동시켜 전지의 여러 부품으로 활용이 가능할 것으로 기대된다.

제1저자인 마상복 삼성종합기술원 전문연구원은 "차세대 전지로 주목받는 리튬공기 배터리의 상용화를 앞당길 원천 소재기술을 개발했다는 데 큰 의미가 있다"고 설명했다. 서동화 UNIST 에너지및화학공학부 교수도 "리튬공기 전지 상용화의 단초를 열었다"며 "신규 세라믹 소재는 리튬공기뿐만 아니라 다른 배터리에도 쓰일 수 있을 것"이라고 말했다.

UNIST는 2022년까지 5분 충전으로 600km 주행이 가능한 전기차용 리튬금속 배터리 개발도 계획하고 있다. 지난 8월 정경민·최남순 교수 연구팀은 부산대, 조선대와 함께 삼성미래기술육성사업 신규과제로 선정된 이 연구에 착수하기로 했다.

김윤수 기자(kysme@chosunbiz.com)

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