“단 6분만에 전기차 충전 끝냅니다” 포스텍 연구팀, 음극소재 기술 개발

김원배 교수팀, 합성 공정 개선
용량·충전 속도 등 대폭 향상

김원배 교수

포스텍(포항공과대학교, 총장 김무환) 화학공학과/철강·에너지소재대학원 김원배 교수(사진) 연구팀이 6분 만에 전기차를 충전시킬 수 있는 음극소재 기술을 개발했다. 이 음극소재는 ‘망간-철 산화물’ 음극재를 나노미터(nm) 두께의 시트 형태로 합성함으로써 이론 저장 용량의 한계보다 약 1.5배의 높은 용량을 구현할 수 있다. 또 단 6분 만에 전기차를 충전시킬 수 있다. 이번 연구를 통해 그동안 제어하기 어려웠던 합성 공정을 개선해 음극재 이론 용량의 한계를 극복하고, 배터리 충전 속도를 대폭 향상시켰다.

연구팀은 ‘망간-철 산화물’이 더 많은 리튬을 저장할 수 있도록 합성 방법을 새롭게 설계했다. 망간 산화물이 있는 용액에 철을 넣어 갈바닉 치환 반응을 통해 안쪽에는 망간 산화물이, 바깥쪽에는 철 산화물이 분포된 이중구조물을 형성했다. 연구팀은 수열합성법 등의 과정을 통해 ‘망간-철 산화물’ 음극재를 표면적이 큰 나노미터 두께의 시트 형태로 만들었다. 그 결과 치환 반응으로 형성된 철 금속 나노 입자의 스핀-분극화된 전자 사용이 극대화돼 많은 양의 리튬 이온을 추가적으로 저장할 수 있었다. ‘망간-철 산화물’ 음극재가 낼 수 있는 이론적인 용량보다 50% 이상 늘리는 데 성공한 것. 배터리 충전 속도도 향상된다. 음극재의 표면적이 증가함으로써 많은 양의 리튬 이온과 전자가 동시에 이동하는 것이 가능해지기 때문이다.

연구를 이끈 김원배 교수는 “기존 음극재의 전기화학적 한계를 극복하고, 배터리 용량을 높일 수 있는 전자 스핀 활용 표면 설계에 대한 새로운 통찰력을 제공했다”며, “전기차의 내구성과 충전 속도 모두 향상시킬 수 있는 방안이 될 것”이라고 말했다.

한편 이 연구는 우수성을 인정 받아 재료공학 분야에서 영향력이 높은 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’의 앞표지(front cover) 논문으로 게재됐다.

/장은희기자 [e-mail]