[M오토데일리 박상우 기자] 1회 충전으로 1천km를 주행할 수 있는 배터리가 나올까?

15일 UNIST(울산과학기술원)와 삼성전자종합기술원, 미국 브룩헤이븐국립연구소 공동 연구팀은 차세대 2차전지인 리튬공기 전지 상용화의 난제로 지적돼온 수명 저하 문제를 해결했다고 발표했다.

리튬공기 전지는 공기 중 산소를 양극물질로 사용하는 초경량 전지로 산소의 산화, 환원 반응을 반복하는 것만으로 에너지를 저장한다. 이를 통해 기존 리튬이온 전지보다 10배 이상 더 많은 에너지를 저장할 수 있다.

또 산소를 전극재로 쓰기 때문에 금속을 쓰는 리튬이온 전지보다 가볍게 만들 수 있어 가볍고 오래 달리는 전기차를 만드는데 적합하다.

그러나 전지를 담는 그릇(전해질)으로 쓰는 물의 분자가 뭉쳐 촉매에 달라붙어 활성산소가 발생하면서 과전압이 발생해 전지 수명이 급격하게 짧아지는 문제가 있었다.

연구팀은 이를 해결할 방법을 찾아낸 것이다. 전지 내부 유기물질을 고체 형태의 세라믹 신소재(망간-코발트 페로브스카이트)로 대체해 수명을 획기적으로 향상시켰다.

기존에 10회 미만이던 충·방전 횟수를 100회 이상으로 개선했다. 연구팀이 개발한 신소재는 이온 전도성과 전자 전도성이 모두 높다. 일반적으로 세라믹 소재는 이온 전도성만 높지만, 이번 신소재는 두 성능을 동시에 갖췄다.

연구팀은 범밀도함수(DFT) 기반의 양자역학 모델링을 통해 이번 신소재를 개발했다. DFT는 분자 내부에 전자가 움직이는 모양과 에너지 등을 양자역학으로 기술하는 계산과학(수학) 기법이다. 전자는 고정된 게 아니라 확률적으로만 위치와 운동량을 파악할 수 있다.

이런 상태인 무수한 전자와, 전자와 원자핵의 결합체인 분자가 과연 어떤 조건에서 존재할 수 있는지 예측하는 것이 DFT다. 연구팀은 DFT를 통해 제작한 신소재로 실험용 리튬공기 전지를 만들어 성능 검증을 마친 것으로 알려졌다.

이번 연구성과는 에너지 재료 분야 국제학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈’ 표지논문으로 게재됐다.