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새로운 배터리 기술로 전기 자동차를 단 6분 만에 최대 90% 충전 가능

2021-06-16
주제:
배터리기술,에너지,리튬이온,분자물리학,나노기술,포항공과대학교
포항과학기술대학교(포스텍) 제공 2020년 10월 28일



Telsa를 선두로 전 세계적으로 전기차 시장이 성장하고 있습니다. 내연기관을 사용하는 기존 자동차와 달리 전기차는 리튬 이온 배터리만으로 구동되기 때문에 배터리 성능이 자동차의 전반적인 성능을 결정합니다. 그러나 느린 충전 시간과 약한 전력은 여전히 ​​극복해야 할 장벽입니다. 이에 포스텍 연구팀은 최근 전기차용으로 더 빠른 충전과 더 오래 지속되는 배터리 소재를 개발했다.

포스텍 신소재공학부 ​​강병우 교수와 김민경 박사, 성균관대학교 에너지과학부 윤원섭 교수 연구팀이 공동으로 리튬 충전 및 방전 시 -이온 전지 전극 재료, 입자 크기 감소 없이 충방전 시간을 획기적으로 줄여 고전력 생산 가능. 이러한 연구 결과는 에너지 소재 분야의 권위 있는 국제학술지인 Energy & Environmental Science 최신호에 게재되었다.

지금까지 리튬이온 전지의 급속 충방전을 위해 전극 물질의 입자 크기를 줄이는 방법이 사용되었다. 그러나 입자 크기를 줄이는 것은 전지의 체적 에너지 밀도를 감소시키는 단점이 있다.

이를 위해 연구팀은 충방전 과정에서 상전이의 중간상[1]이 형성되면 급속 충방전을 통해 높은 에너지 밀도를 잃지 않고 입자 크기를 줄이지 않고 고전력을 발생시킬 수 있음을 확인했다. 오래 지속되는 리튬 이온 배터리의 개발.

충방전을 하면서 새로운 상을 생성하고 성장시키는 과정을 거치는 상분리 물질의 경우 하나의 입자 내에 부피가 다른 두 개의 상이 존재하여 두 상의 계면에 구조적 결함이 많이 발생합니다. 이러한 결함은 입자 내에서 새로운 상의 급속한 성장을 억제하여 급속 충방전을 방해합니다.

연구팀이 개발한 합성법을 이용하면 입자 내 두 상 사이의 부피 변화를 극적으로 줄일 수 있는 구조적 완충제 역할을 하는 중간상을 유도할 수 있다.

또한, 이 완충 중간상은 입자 내에서 새로운 상을 생성 및 성장시켜 입자 내 리튬의 삽입 및 제거 속도를 향상시키는 데 도움이 될 수 있음이 확인되었습니다. 이는 중간상 형성이 수많은 입자로 구성된 전극에서 균일한 전기화학 반응을 일으켜 전지의 충방전 속도를 획기적으로 높일 수 있음을 증명했다. 그 결과 연구팀이 합성한 리튬이온 전지 전극은 6분 만에 최대 90%까지 충전하고 18초 만에 54%를 방전하는 등 고출력 리튬이온 전지 개발에 유망한 신호다.

논문 교신저자인 강병우 교수는 “기존의 접근 방식은 항상 낮은 에너지 밀도와 입자 크기 감소로 인한 빠른 충방전 속도 사이의 절충안이었다”고 말했다. 그는 “이번 연구는 빠른 충방전 속도, 높은 에너지 밀도, 장기간 성능을 달성할 수 있는 리튬이온 배터리 개발의 토대를 마련했다”고 설명했다.

연구는 한국연구재단의 중견연구자과정과 방사선기술개발사업의 지원을 받아 수행되었다.

상전이
충방전 과정에서 리튬이 삽입 및 빠져나가 물질의 기존 상이 새로운 상으로 바뀌는 과정.

참고: "입자 크기를 줄이지 않고 중간상을 형성하여 상 분리 전극 재료의 초고속 동역학", 김민경, 정미희, 윤원섭, 강병우 공저, 2020년 9월 17일, Energy & Environmental Science.
DOI: 10.1039/D0EE02518F