"전기차 6분이면 90% 충전할 수 있다" 포스텍 강병우 교수팀 논문, SCI급 저명 국제학술지 등재
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"전기차 6분이면 90% 충전할 수 있다" 포스텍 강병우 교수팀 논문, SCI급 저명 국제학술지 등재
  • 정 현 기자
  • 승인 2020.10.19 22:45
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재료분야 국제학술지 'Energy&Environmental Science' 최근호 게재
충전 중인 전기차 / 사진출처=Pixabay
충전 중인 전기차 / 사진출처=Pixabay

[위즈뉴스] 세계적으로 전기차 시장이 빠르게 성장하고 있지만, 전기차는 기존 내연기관 자동차와 달리 이차전지의 동력만으로 자동차를 움직이기 때문에 배터리의 성능이 곧 자동차의 성능이 될 수 있다. 하지만 느린 충전 시간과 낮은 출력은 여전히 전기차가 넘어야 할 장벽이다.

이러한 전기차의 한계 속에서 최근 국내 연구진이 더 빨리 충전되고 오래 가는 전기차 배터리 소재를 개발해 관심을 모으고 있다. 

POSTECH(포항공대)는 19일, 신소재공학과 강병우 교수와 통합과정 김민경씨 연구팀이 성균관대 에너지과학과 윤원섭 교수팀과 함께 이차전지 전극 물질에서 충전 및 방전할 때 입자 크기를 줄이지 않아도 획기적으로 충-방전 시간을 단축해 고출력을 낼 수 있다는 사실을 처음으로 규명했다고 밝혔다.

이 연구 결과를 담은 논문은 재료분야 SCI급 저명 국제학술지 ‘에너지엔인바이러먼털 사이언스(Energy&Environmental Science, IF=30.289)’ 최근호에 게재됐다.

논문명은 'Ultrafast kinetics in a phase separating electrode material by forming an intermediate phase without reducing the particle size'이며, 강병우 교수가 교신저자이다.

국제학술지 'Energy&Environmental Science'에 실린 해당 논문
국제학술지 'Energy&Environmental Science'에 실린 해당 논문

지금까지 이차전지에서 빠른 충-방전을 위해 전극 물질의 입자 크기를 줄이는 방법이 이용돼왔다. 하지만 입자 크기를 줄이게 되면 이차전지의 부피 에너지 밀도가 줄어드는 단점이 있었다.

연구팀은 입자 크기를 줄이지 않고도, 충-방전 상변이 과정에 중간상을 형성시키면 고에너지 밀도의 손실 없이도 빠른 충-방전을 통해 고출력을 낼 수 있을 뿐 아니라 오래 가는 이차전지를 개발할 수 있다는 것을 확인했다.

입자 크기 줄이지 않고 부피당 고에너지 밀도와 고출력 특성을 구현할 수 있는 이차전지 양극 소재의 충전 및 출력 현황 / 자료이미지=포스텍
입자 크기 줄이지 않고 부피당 고에너지 밀도와 고출력 특성을 구현할 수 있는 이차전지 양극 소재의 충전 및 출력 현황 / 자료이미지=포스텍

충-방전 시 새로운 상(相)이 생성되고 성장하는 과정을 거치는 상 분리 물질(Phase separating materials)의 경우, 부피가 서로 다른 두 상이 하나의 입자 내에 존재하게 되어 두 상의 계면에서 구조적 결함들이 많이 생긴다. 이러한 구조적 결함들은 입자 내에서 새로운 상의 빠른 성장, 즉 빠른 충-방전을 방해한다.

연구팀이 개발한 합성법을 이용하면, 입자 안에 있는 두 상 사이의 부피 변화를 획기적으로 줄여줄 수 있는 완충(Structural Buffer) 역할을 하는 중간상을 유도할 수 있다.

또, 이 완충작용을 하는 중간상이 입자 내의 새로운 상의 생성과 성장을 도와 입자 내의 리튬의 삽입-탈리 속도를 향상시킬 수 있으며, 뿐만 아니라 중간상의 형성을 통해서 전극 내의 수많은 입자들이 충-방전할 때 균일한 전기 화학 반응(homogeneous electrochemical reaction)을 일으켜 전지의 충-방전 속도를 획기적으로 증가할 수 있음을 확인했다.

이 결과 연구팀이 합성한 이차전지 전극은 6분 만에 90%까지 충전되고, 18초 내에 54%를 방전하는 성능을 보여 고출력 이차전지 개발의 기대감을 높였다.

강병우 교수(왼쪽)와 김민경씨 / 사진=포스텍
강병우 교수(왼쪽)와 김민경씨 / 사진=포스텍

연구팀의 강병우 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.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업, 방사선기술개발사업의 지원으로 수행됐다.


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