배터리에 수소이온 첨가해 용량 2배로

GIST-경희대, 새로운 배터리 양극 개발
금속산화물에 수소이온 첨가해 성능 향상
20분만에 고속충전… 1천번 사용해도 용량유지

배터리. 게티이미지 제공

[파이낸셜뉴스] 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 엄광섭·이주형 교수가 경희대 이정태 교수팀과 함께 배터리 양극에 수소 이온을 첨가해 에너지 저장 용량을 최대 2배까지 늘렸다. 또한 배터리 속 이온이 더 빠르게 이동할 수 있게 만들어 충전도 더 빨리 할 수 있게 됐으며, 1000번 이상 충방전 테스트에도 배터리 용량이 유지됐다.

10일 GIST에 따르면, 연구진은 재료 기초분석을 통해 금속 산화물 내부에 수소 이온이 있으면 금속 산화물의 구조적·전기화학적 특성이 조절된다는 점에 주목했다. 이를 이용해 수소화-몰리브데넘 산화물로 새로운 배터리 양극 소재를 합성했다. 이 기술은 금속 산화물 내부에 첨가하는 수소의 양을 매우 정교하게 조절할 수 있을 뿐만아니라 금속 산화물의 결정 모양을 조절 및 변형이 가능하다.

테스트 결과 수소화-몰리브데넘 산화물 양극 소재는 상용 소재 대비 약 1.4~2배에 해당하는 280 mA/g의 높은 에너지를 저장했다. 또 약 20분 이내에 170 mA/g의 에너지를 빠르게 저장 및 사용할 수 있었다.

뿐만아니라 기존 몰리브데넘 산화물이 가지고 있는 고질적 문제인 구조 붕괴 현상을 억제해 1000회 충방전 이후에도 초기 용량의 약 76%를 유지할 만큼 수명이 향상됐다.

연구진은 "첨가된 수소 이온이 몰리브데넘 산화물의 충방전때 발생하는 결정 구조의 붕괴 반응을 제한해 배터리 사이클 안정성이 크게 개선됐다"고 설명했다.

또, 계산화학 및 전기화학 분석을 통해 수소 이온이 몰리브데넘 산화물의 대칭적 결정 구조를 뒤틀어 결정 내 리튬 이온이 원활하게 확산할 수 있는 경로가 발생함으로써 빠른 충방전이 가능해진다는 사실도 밝혀냈다.

특히, 외부의 에너지 공급 없이 금속 산화물 내에 수소 이온을 삽입할 수 있는 방법을 개발함은 물론 수소 이온을 활용해 재료 특성을 조절할 수 있다는 것을 밝혀냄으로써 산업적 활용 가능성과 실효성을 입증한 셈이다.

한편, 연구진은 이번에 개발한 새로운 배터리 양극을 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)'에 발표했다.

[e-mail] 김만기 기자