고밀도 고출력 이차 전지를 나타낸 모식도. [사진 제공 = 포스텍]

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느린 충전 시간을 갖는 전기차의 단점을 해결할 수 있는 기술이 개발됐다.

19일 포항공과대학교(포스텍)는 성균관대학교와의 공동연구팀은 전기차를 단 6분만에 90% 가량 충전할 수 있는 이차전지 전극 개발에 성공했다고 밝혔다. 공동연구팀은 이번 연구에서 이차전지 전극 물질을 충·방전할 때, 입자 크기를 줄이지 않아도 획기적으로 충·방전 시간을 단축해 고출력을 낼 수 있다는 것을 처음으로 밝혀냈다.

지금까지 이차전지를 빠르게 충·방전하기 위해 전극 물질의 입자 크기를 줄이는 방법이 이용돼 왔다. 하지만 입자 크기를 줄이게 되면 이차전지의 부피 에너지 밀도가 줄어드는 단점이 있었다. 연구팀은 충·방전 상변이 과정에 중간상을 형성시켜 이같은 문제를 해결했다. 상변이 과정이란 전극 물질 중 상전이 물질에서 일어나는 현상으로, 충·방전 시 리튬이 삽입 및 탈리되면서 물질의 기존 상이 새로운 상으로 변하는 과정이다. 이를 통해 연구팀은 입자 크기를 줄이지 않고 고에너지 밀도의 손실 없이 빠른 충·방전을 통해 고출력을 내고 오래 가는 이차전지를 개발했다.

충·방전 시 새로운 상이 생성되고 성장하는 과정을 거치는 상 분리 물질의 경우 부피가 서로 다른 두 상이 하나의 입자 내에 존재하게 된다. 이때문에 필연적으로 구조적 결함이 많이 생긴다. 이런 결함들은 빠른 충·방전을 방해하게 된다. 하지만 연구팀이 개발한 합성법을 이용하면 입자 안에 있는 두 상 사이의 부피 변화를 획기적으로 줄여줄 수 있는 완충 역할을 하는 중간상을 유도할 수 있다.

또 완충작용을 하는 중간상이 입자 내의 새로운 상의 생성과 성장을 도와 입자 내의 리튬의 삽입·탈리 속도를 향상시킬 수 있다. 중간상의 형성은 전극 내의 수많은 입자들이 충·방전할 때 균일한 전기 화학 반응을 일으키도록 해 전지의 충·방전 속도를 획기적으로 증가시킬 수도 있다. 이 결과 연구팀이 합성한 이차전지 전극은 6분 만에 90%까지 충전되고, 18초 내에 54%를 방전하는 성능을 보여 고출력 이차전지 개발의 기대감을 높였다.

이번 연구의 교신 저자인 강병우 포스텍 교수는 "기존 접근법은 빠르게 충·방전할 수 있도록 입자의 크기를 줄여 항상 에너지 밀도의 저하가 문제로 지적됐다"며 "이번 연구 성과를 통해 빠른 충·방전, 높은 에너지 밀도, 오랜 성능 유지 시간 등을 모두 충족시킬 수 있는 이차전지를 개발할 수 있는 기반을 마련했다"고 말했다. 한편 이번 연구 성과는 재료 분야 국제학술지 '에너지 엔 인바이러먼털 사이언스(Energy & Environmental Science)' 최근호에 게재됐다.

[이종화 기자]

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