“충전 걱정 뚝!” 4배 더 오래가는 배터리 개발 <美 연구>

스마트폰, 노트북 등 휴대용 IT 기기부터 전기 자동차까지 일상생활에서 없어서는 안될 기계를 사용하기 위해서는 ‘오래 달리는’ 배터리가 필수품이다.

미국 스탠포드대학 연구팀이 기존보다 4배가량 사용시간이 길어진 배터리를 개발하는데 성공했다고 밝혀 업계의 관심이 쏠리고 있다.

새로 개발한 이 배터리는 순수한 리튬 배터리로, 현재 스마트폰이나 기타 기기들에 사용되는 배터리보다 사용가능시간이 3~4배에 달한다.

가장 많이 이용되는 리튬 이온 배터리는 안전하다는 장점도 있지만 배터리 크기가 작아서 자주 충전해야 한다는 단점이 있다.

스탠포드대학의 이추이 교수 연구팀은 오랜 기간 연구를 통해 더 작고 오래가는 순수 리튬 배터리를 개발하는데 성공하고 ‘성배 배터리’(the Holy Grail Battery)라는 명칭을 붙였다.

기존의 리튬이온전지의 양극은 흑연으로 이뤄져 있다. 충전시 얼마나 많은 에너지가 양극으로 들어가는지에 따라 사용시간이 달라지는데, 흑연은 값이 싸지만 비용량(전지의 용량)이 낮은 반면 리튬은 흑연보다 비용량이 10배 가까이 높지만 빨리 분해되고 폭발할 수 있다는 단점이 있다.

뿐만 아니라 여기에 충전시 리튬이온이 급속히 확장돼 이를 감싸고 있는 외장재 바깥으로 전해질이 흘러나올 위험성도 컸다.

순수한 리튬 양극 배터리는 원가가 더 낮고 크기가 작으며 배터리의 효율성을 높인다는 이론이 있었지만, 이러한 이유 때문에 실험 과정 중 많은 리튬이 견디지 못하는 실패를 겪었다.

연구팀은 이러한 순수 리튬전지의 단점을 해결하기 위해 리튬 양극 표면에 신소재인 탄소 나노스피어라 부르는 매우 얇은 막을 감쌌다. 나노스피어는 효과적으로 리튬의 에너지 이동을 보호하고 폭발까지 막아주는 역할과 동시에 안정적인 전류 흐름 및 충전을 가능케 한다.

연구를 이끈 이추이 박사는 “새로 개발한 리튬배터리는 충방전 사이클(배터리가 완전히 충전된 상태에서 방전된 다음, 다시 완전 충전될 때까지의 화학 작용) 수명을 대폭 연장했다”면서 “기존보다 사이즈가 더 작고 비용도 적게 들어가는 반면 수명은 길기 때문에 특히 한꺼번에 많은 전력을 필요로 하는 전기자동차 배터리팩 등을 개선하는데 획기적인 도움이 될 것”이라고 기대했다.

한편 이번 연구결과는 세계 최고 권위의 학술지인 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)에 실렸다.

송혜민 기자 huimin0217@seoul.co.kr