일반적으로 전기차를 충전하는 데는 약 10시간이 소요됩니다. 고속 충전 기술을 사용하더라도 최소 30분은 필요합니다. 전기 자동차가 기존 휘발유 자동차만큼 빠르게 "충전"될 수 있다면 전기 자동차 충전소 부족 현상이 완화될 것입니다.
리튬이온 배터리의 효율은 양극재가 리튬이온을 저장하는 능력에 따라 결정되는 것으로 이해됩니다. 최근 포항공과대학교(POSTECH) 연구팀이 새로운 양극재를 개발해 획기적인 성과를 냈다. 최신 연구 결과는 최근 Advanced Functional Materials 저널에 게재되었습니다.
새로운 자가혼합법을 이용하여 간단한 변위반응 과정을 통해 표면적이 큰 망간 페라이트 나노시트를 합성한 것으로 보고되었다. 이 신소재는 더 많은 리튬 이온을 저장할 수 있어 이론적 한계를 뛰어넘었습니다.
이번 연구에서 연구팀은 우수한 리튬 이온 에너지 저장 능력과 우수한 강자성 특성을 모두 갖춘 소재인 망간 페라이트 나노시트를 합성하는 새로운 방법을 고안했습니다. 연구원들은 이 획기적인 기술이 저장 용량을 이론적 한계의 약 1.5배까지 늘리고, 전기 자동차를 6분 만에 완전히 충전할 수 있다고 말합니다.
구체적으로는 산화망간과 철을 혼합한 용액에서 먼저 치환 반응을 진행해 내부에는 산화망간, 외부에는 산화철이 결합된 이종구조 화합물을 형성했다. 연구팀은 열수법을 사용해 두께가 나노미터에 불과한 망간 페라이트 나노시트를 제조했다. 이 접근법은 고도로 스핀 분극된 전자를 활용하여 다량의 리튬 이온을 저장하는 능력을 크게 향상시킵니다.
이번 연구에서 연구팀은 리튬이온 저장능력과 강자성이 우수한 것으로 알려진 망간 페라이트를 음극소재로 합성하는 새로운 방법을 고안했다. 먼저, 산화망간과 철의 혼합용액에서 전기치환반응이 일어나 내부에는 산화망간, 외부에는 산화철이 결합된 이종구조 화합물이 생성된다.
이러한 혁신을 통해 팀은 망간 페라이트 양극재의 이론 용량을 50% 이상 효과적으로 초과할 수 있게 되었습니다. 양극재의 표면적을 넓히면 다수의 리튬이온의 동시 이동이 촉진되어 배터리의 충전 속도가 빨라진다. 실험 결과, 현재 시판 중인 전기차와 동등한 용량의 배터리를 완충하는 데 6분밖에 걸리지 않는 것으로 나타났다.
연구원들은 이번 연구가 복잡한 양극재 제조 과정을 단순화하고, 배터리 용량을 늘리고 충전 속도를 높이는 데 획기적인 진전을 이뤘다고 밝혔다.
"기존 양극재의 전기화학적 한계를 극복하고 배터리 용량을 향상시키기 위해 전자 스핀을 이용해 표면을 변화시키는 합리적인 설계는 새로운 이해입니다. 이러한 개발은 배터리 내구성을 향상시키고 전기 자동차의 충전 시간을 단축시킬 수 있습니다." 그들은 말했다.