[월간수소경제 성재경 기자] 한 번 충전으로 서울-부산 왕복거리보다 긴 1,000km를 달릴 수 있는 전기차 전지기술이 개발됐다.  

UNIST(총장 이용훈)와 삼성전자 종합기술원(원장 황성우) 공동연구팀은 차세대 전지로 주목받고 있는 리튬공기전지 내부의 유기물질을 세라믹 소재로 바꿔 그동안 상용화의 난제로 지적돼온 전지 수명 저하 문제를 해결했다. 

리튬공기전지는 현재 각종 전자기기와 전기차에 쓰이는 리튬이온전지보다 10배 이상 더 많은 에너지를 저장할 수 있다. 또 공기 중 산소를 전극재로 쓰기 때문에 금속 소재를 사용하는 리튬이온전지보다 훨씬 가볍게 만들 수 있다. 

다만, 전지 작동 과정에서 발생하는 활성산소 때문에 전지의 수명이 떨어지는 고질적인 문제점을 안고 있었다.  

연구진은 전지 내부의 유기물질을 고성능 세라믹 소재로 대체함으로써 이 문제를 해결했다. 또 기존에 10회 미만이었던 충방전 수명도 100회 이상으로 크게 개선했다. 

제1 저자인 삼성전자 종합기술원 마상복 전문연구원은 “차세대 전지로 주목받는 리튬공기전지의 상용화를 앞당길 수 있는 소재 원천기술을 개발했다는 데 큰 의의가 있다”고 말했다.

고체 형태인 세라믹 소재가 우수한 이온 전도성과 전자 전도성을 동시에 갖춘 점이 주목받고 있다. 일반적인 세라믹 물질은 이온 전도성만 높지만, 이번에 개발된 물질은 전자 전도성도 뛰어나 전지의 다양한 구성 부품에 쓰일 수 있다. 

연구팀은 밀도범함수 이론 기반의 양자역학 모델링 기법을 통해 이온과 전자 모두에서 높은 전도성을 갖는 물질을 찾아냈다. 이를 통해 망간 또는 코발트를 품고 있는 페로브스카이트 구조의 세라믹 소재가 높은 리튬이온전도도와 전자 전도도를 동시에 갖는 사실을 밝혀냈다. 

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

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