10분 안에 전기자동차를 충전할 수 있는 새로운 리튬 이온 배터리 (KISTI)

미국 펜실베이니아 주립대학(The Pennsylvania State University)의 연구진은 10분의 충전으로 전기 자동차가 200마일을 주행할 수 있는 새로운 리튬 이온 배터리를 개발했다. 이 리튬 이온 배터리는 반응 속도를 높이기 위해서 고온에서 충전하고 방전 시에 배터리를 냉각시킨다. 이번 연구는 여행 중간에 추가적인 충전 없이 원하는 목적지까지 안전하게 도달할 수 있는 전기 자동차를 개발하기 위해서 시도되었다.

많은 연구진들은 그동안 초고속 충전이 가능한 전기 자동차 배터리를 개발하기 위해서 노력했다. 이러한 빠른 충전 속도를 가지기 위해서는 배터리가 400 킬로와트의 에너지를 빠르게 흡수할 수 있어야 하지만, 현재 사용되는 리튬 이온 배터리를 이렇게 사용한다면 양극 주변에 금속 리튬을 형성함으로써 배터리 수명을 매우 감소시킨다.

기존의 리튬 배터리는 동일한 온도에서 충전과 방전을 하는 반면에 이번에 개발된 배터리는 섭씨 60도의 고온에서 몇 분 동안 충전한 다음에 더 낮은 온도에서 방전함으로써 금속 리튬의 형성을 피할 수 있었다. 이번에 개발된 배터리 디자인은 높은 충전 온도에서의 노출 시간을 감소시킴으로써 배터리 수명을 매우 늘릴 수 있었다. 배터리를 고온에서 너무 오랫동안 유지할 경우에 심각한 성능 저하가 발생한다.

이번 연구진은 가열 시간을 단축하고 전체 배터리를 균일한 온도로 가열하기 위해서 자체 가열형 니켈 구조를 가진 리튬 이온 배터리를 설계했다. 프로토타입 배터리를 작동 시킨 후에 금속 리튬의 형성을 확인하기 위해서 배터리를 완전히 방전한 다음에 분석했다. 섭씨 60도까지 예열된 배터리는 1,700 사이클 동안에 매우 빠른 충전 속도를 유지했다. 과거에는 부반응의 가속화로 리튬 이온 배터리를 고온에서 작동시키지 않아야 한다고 알려졌다. 이번 연구로 고온에서 제한된 노출시간을 가질 경우에 다른 긍정적인 영향이 훨씬 크다는 것을 알게 되었다.

이번에 개발된 배터리는 산업적으로 이용 가능한 전극을 기반으로 했기 때문에 당장이라도 대량 생산할 수 있다. 니켈 호일은 각 셀의 비용을 0.47% 정도 증가시키지만, 이번에 개발된 배터리는 외부 히터가 필요하지 않기 때문에 배터리의 제조비용을 낮출 수 있다.

향후 연구는 5분 안에 충전할 수 있는 에너지 밀도가 높은 전기 자동차 배터리를 개발하는 것이 될 것이다. 이것이 가능하기 위해서 자체 발열 구조 외에 매우 안정적인 전해질 및 활성 물질이 필요할 것이다.