리튬공기전지 내부 유기물질 세라믹 소재로
대체해 수명 저하 문제 해결... AEM 표지 장식


충전으로 한 번 서울과 부산 간 왕복 거리보다 긴 1,000km를 달릴 수 있는 전기차 전지 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)과 삼성전자 종합기술원 공동연구팀은 15일, 차세대 전지로 주목받는 리튬공기전지 내부의 유기 물질을 세라믹 소재로 바꿔 그동안 상용화 난제로 지적돼 온 전지 수명 저하 문제를 해결했다고 밝혔다.

리튬공기전지는 현재 전자기기나 전기차 등에 쓰이는 리튬이온전지보다 10배 이상 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 공기 중 산소를 전극재로 쓰기 때문에 금속 소재를 사용하는 리튬이온전지보다 경량화에 유리하다.

다만, 전지 작동과정에서 발생하는 활성산소 때문에 전지 수명이 떨어지는 고질적인 문제점이 있었다. 연구진은 전지 내부의 유기 물질을 고성능 세라믹 소재로 대체하여 전지 수명을 늘렸다. 기존에는 10회 미만이었던 충방전 수명이 100회 이상으로 개선됐다.

또한, 고체 형태인 세라믹 소재가 우수한 이온 전도성과 전자 전도성을 동시에 갖췄다는 점도 주목받고 있다. 일반적으로 세라믹 물질은 이온전도성만 높지만 이번에 개발된 물질은 전자 전도성 또한 높아 전지의 다양한 구성 부품에 쓰일 수 있다.

연구팀은 밀도범함수이론 기반의 양자역학 모델링 기법을 통해 이온과 전자 모두 높은 전도성을 갖는 물질을 찾았다. 이를 통해 망간 또는 코발트를 품고 있는 페로브스카이트 구조의 세라믹 소재가 높은 리튬이온 전도도와 전자 전도도를 동시에 갖는다는 사실을 밝혔다.

교신저자인 UNIST 서동화 교수는 “신규 세라믹 소재는 전자와 리튬이온을 동시에 전달할 수 있어 리튬공기전지 뿐만 아니라 다른 전지 분야에도 쓰일 수 있을 것”이라 기대했다.

한편, 이번 연구 결과는 너지 재료 분야 저명 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 표지 논문으로 선정돼 10월 13일에 출판됐다.