삼성·UNIST, 1회 충전에 1000km 주행 전기차 배터리 개발

세라믹 소재 전지....가볍고 오래쓰는 리튬공기전지 상용화 박차

이온·전자 전도성 모두 우수해 각광...AEM 표지 논문 게재

Advanced Energy Materials 표지 이미지.ⓒUNIST

한 번 충전으로 서울~부산 왕복 거리보다 긴 1000㎞를 달릴 수 있는 전기차 전지 기술이 개발됐다.

삼성전자 종합기술원과 울산과학기술원(UNIST) 공동연구팀은 세라믹 소재의 리튬공기전지를 개발해 상용화의 난제로 지적돼 온 전지 수명 저하 문제를 해결했다고 15일 밝혔다.

공동연구팀에 따르면 리튬공기전지는 현재 각종 전자 기기와 전기차에 쓰이는 리튬이온전지보다 10배 이상 더 많은 에너지를 저장할 수 있다.

또 공기 중 산소를 전극재로 쓰기 때문에 금속 소재를 사용하는 리튬이온전지보다 경량화도 훨씬 유리해 가볍고 오래 달리는 차세대 경량 전기차 전지로 각광받고 있다.

하지만 전지 작동 과정에서 발생하는 활성산소 때문에 전지 수명이 떨어지는 고질적인 문제점을 안고 있다.

이에 연구팀은 전지 내부의 유기물질을 고성능 세라믹 소재로 대체함으로써 전지 수명을 획기적으로 향상시키며 해결책을 찾아냈다. 이 방식을 적용하면 기존 10회 미만이었던 충·방전 수명이 100회 이상으로 크게 개선되는 것으로 나타났다.

또 고체 형태인 세라믹 소재가 우수한 이온 전도성과 전자 전도성을 동시에 갖췄다는 점도 주목했다.

일반적으로 세라믹 물질은 이온 전도성만 높지만 이번에 개발된 물질은 전자 전도성 또한 뛰어나 전지의 다양한 구성 부품에 쓰일 수 있다고 연구팀은 설명했다.

연구팀이 개발한 전지의 구조와 성능.ⓒUNIST

연구팀은 밀도범함수 이론 기반의 양자역할 모델링 기법으로 이온과 전자 모두 높은 전도성을 갖는 물질을 찾았다.

이를 통해 망간 또는 코발트를 품고 있는 페로브스카이트 구조의 세라믹 소재가 높은 리튬이온전도도와 전자 전도도를 동시에 갖는 사실을 밝혀냈다.

제 1저자인 마상복 삼성전자 종합기술원 전문연구원은 “차세대 전지로 주목받는 리튬공기전지의 상용화를 앞당길 수 있는 원천 소재 기술을 개발했다는 데 큰 의미가 있다”고 설명했다.

교신저자인 서동화 UNIST 교수는 “신규 세라믹 소재는 전자와 리튬이온을 동시에 전달할 수 있기 때문에 리튬공기전지뿐만 아니라 다른 전지 분야에도 쓰일 수 있을 것”이라고 기대감을 나타냈다.

이번 연구 결과는 에너지 재료 분야 저명 학술지인 '어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)'의 표지 논문으로 선정돼 지난 13일 출판됐다.

이번 연구는 삼성전자, UNIST 기관 고유 사업인 미래선도형 특성화 사업, 한국과학기술정보연구원 슈퍼컴퓨터 자원의 지원으로 이뤄졌다.

서동화 울산과학기술원 교수.ⓒUNIST