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2017/02/06 한양뉴스 > 학술 > 이달의연구자 중요기사

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[이달의 연구자] 선양국 교수(에너지공학과)

안정성-용량 모두 잡은 리튬전지 양극 소재 개발, 전기자동차 새 물결 탈까

신혜빈

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http://www.hanyang.ac.kr/surl/m4gD

내용

전기자동차 시장은 빠른 속도로 성장하고 있다. 그러나 1회 충전으로 달릴 수 있는 거리가 내연기관 자동차에 비해 짧다는 점은 늘 한계로 지적됐다. 때문에 최근 에너지 공학계의 핵심 과제는 전기자동차 배터리의 용량을 안전하게 높이는 것이었다. 선양국 교수(에너지공학과)가 10년 동안의 연구 끝에 이 문제를 해결할 실마리를 찾았다. 배터리에 사용되는 양극 입자 속 물질 농도를 조절하는 것. 중앙과 표면의 물질 구성이 다른 양극 입자를 사용하면 안정성과 용량이란 두 마리 토끼를 잡을 수 있다. 특히 이번 연구에서 제시한 3세대 양극 소재 Al-FCG61은 3,000 사이클 이상 작동하고도 높은 효율을 유지해 학계와 업계의 주목을 받는다.


양극 입자 속 니켈과 망간 농도 조절, 용량과 안정성 모두 잡다

전기자동차 대부분에 들어가는 배터리는 1회 충전으로 150km 정도를 달릴 수 있다. 내연기관 자동차가 1회 주유로 450km를 달리는 것에 비하면 현저히 짧은 거리다. 전기자동차가 1회 충전으로 350km 이상을 달리게 하려면 배터리 내 양극 소재의 용량을 200mAh/g까지 올려야한다. 양극 소재의 용량을 높이기 위해선 니켈 함량을 늘려야 하는데, 문제는 니켈 함량이 늘어나면 열 때문에 배터리가 폭발할 확률도 높아진단 점이다. 배터리의 안정성과 용량이 반비례 관계라고 말하는 이유다. 

선양국 교수는 니켈 함량이 높은 양극 소재의 표면이 전해질과 만나는 과정에서 이런 문제가 발생한다는 것을 알아냈다. 그리고 양극 입자를 구성하는 물질의 농도를 위치에 따라 달리하는 FCG(Full Concentration Gradient) 소재를 고안했다. 즉, 입자의 중앙에서 표면으로 갈수록 니켈 함량은 줄어들고, 안정성을 높이는 망간의 함량이 높아지는 것이다.

선양국 교수는 10년 동안의 연구를 통해 농도 차이가 예전보다 극명하게 높은 양극 소재를 4세대까지 개발해 특허를 받았다. 여기에는 윤종승 교수(신소재공학부)의 도움도 컸다. 윤 교수가 입자 결정 구조를 분석하고, 선 교수가 합성을 맡았다 
 
▲ 선양국 교수(에너지공학과)가 개발한 3세대 양극 소재 FCG(Full Concentration Gradient)의 모식도. 입자의 중앙에서 표면으로 갈수록 니켈 함량은 줄어들고, 안정성이 높은 망간 함량이 늘어난다.

에너지 효율 높인 Al-FCG61의 발견

선 교수는 이번 연구에서 알루미늄을 추가한 3세대 양극 소재 Al-FCG61을 개발했다. 이 소재를 사용할 경우 배터리 효율은 높이고 수명은 늘릴 수 있다. 실험 결과 방전 심도 100%에서 3,000번 충·방전을 거듭해도 초기 용량의 80%를 유지했다. 방전 심도란 충전에서 방전까지 배터리가 사용하는 용량을 말한다. 방전 심도가 높으면 배터리 수명이 줄어들기 때문에, 일반적으로는 완충 시에도 전체 용량의 60% 정도만 사용하게 만든다. 용량의 100%를 사용할 경우 충·방전을 수백회 거치면 수명이 다하지만, 늘 60% 정도만 사용하면 수명이 수천회로 늘어나는 원리다. 그러나 배터리 용량의 40%가 사용되지 않은 상태로 남는 데다, 배터리를 더 많이 사용해야하므로 비용 부담이 크다는 문제가 있었다.

결국 용량을 100% 사용하면서도 수명이 긴 배터리가 절실했다. 이런 점에서 선 교수가 개발한 Al-FCG61은 학계와 업계가 주목할 만한 성과를 거뒀다. Al-FCG61의 효율이 높은 이유는 다른 양극 소재와 결정 구조가 달라, 충·방전 과정에서 미세구조 내에 쌓이는 충격이 줄었기 때문. 선 교수는 "이번 연구를 통해 전기차 생산 비용이 줄어들면 제조 과정에서 경쟁력을 가질 수 있을 것"이라고 했다. 
 
▲ 선양국 교수가 4세대 양극 소재인 TSFCG(Two Slope Full Concentration Gradient) 구조에 대해 설명 중이다. TSFCG는 니켈의 함량이 3세대에 비해 더 높다. 

4차 산업혁명 대비할 차세대 성장 동력 필요해

선양국 교수는 4세대 양극 소재를 개발한 것으로 이번 연구를 마무리하고, 다른 구조를 지닌 새로운 재료 개발에 힘쓸 계획이라고 밝혔다. 2000년 우리대학에 부임한 이래, 지금까지 에너지 밀도가 높은 재료 연구에 몰두했다. 연구를 막 시작했을 무렵에는 이 분야에 관심을 갖는 연구자가 드물었으나, 선 교수는 고효율 에너지의 필요성을 예측하고 일찍부터 연구에 임했다. 선 교수는 "새로운 재료를 개발하려면 세계 최고의 성과를 거두겠다는 열정과 노력, 창의성이 필요하다"며 "한국은 4차 산업혁명을 대비해 차세대 성장 동력을 만들기 위해 힘써야 한다"고 전했다.
 
▲선양국 교수는 "새로운 소재 개발에 끈기를 갖고 도전하는 후배 연구자가 많이 생기길 바란다"고 했다.


글/ 신혜빈 기자         shb2033@hanyang.ac.kr
사진/ 김윤수 기자      
rladbstn625@hanyang.ac.kr
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기사댓글 2

  • 한승문2017/02/11

    교수님 자랑스럽습니다. 국내 자등차산업에서 전기차가 내세울 만한 경쟁력이 없어서 조만간 어려운 환경이 될것이 염려되었는데, 이번 연구결과로 미래의 자동차 산업이 경쟁력이 생겨 지속적인 일자리가 만들어 지게 되었습니다. 우리의 아이들에게 큰 희망이될 것입니다 대한민국의 발전에 감사드립니다 사랑합니다

    홍정표2017/02/17

    선양국교수님의 연구에 깊이 감사드립니다. 선교수님의 연구성과는 한양대 뿐 아니라 미래 먹거리인 친환경 자동차분야에 매우 긍정적인 영향을 줄 것으로 생각됩니다. 감사합니다.