매사추세츠공대(MIT)와 칭화대 과학자들이 배터리 수명과 성능을 개선할 수 있는 나노입자를 개발했다고 지난 8월10일(현지시간) <엔가젯>이 보도했다. 과학자들은 '요크와 셀' 이라는 이름을 붙였다.

Yolks and shells, 출처 : MIT뉴스

'요크와 셀'은 우리말로 '달걀노른자와 껍질'이라는 뜻이다. 새로운 나노입자는 이산화티타늄 껍데기(셀) 내부에 모양이 변하는 알루미늄이 달걀노른자(요크)처럼 들어 있는 구조다.

흑연은 0.35 암페어시/그램(Ah/g)의 충전용량을 가진다. 과학자들은 그램 당 충전 용량을 늘리기 위해 연구를 거듭했지만 적절한 물질을 찾기 어려웠다. 예컨대 리튬메탈은 흑연의 10배를 저장할 수 있지만, 화재 위험성이 높았다.

그러나 알루미늄은 저렴하면서도 이론적으로 2Ah/g의 용량을 저장할 수 있다. 다만 알루미늄 입자는 팽창이나 수축하면서 큰 기계적 응력을 발생시키는데, 이는 접촉 불량을 발생시킬 수 있다. 연구팀은 문제를 해결하기 위해 알루미늄으로 된 '요크'를 이산화티타늄 셀 내부로 넣어서 전해액과 분리했다. 이산화티타늄 셀과 알루미늄 요크 사이에 공간이 있어서 셀에도 피해를 주지 않고 요크가 늘어나고 줄어들 수 있다.

가장 널리 쓰이는 충전식 배터리인 리튬이온 배터리는 흑연 전극을 사용한다. 흑연 전극으로 된 전원함(파워팩)에서는 배터리를 충전할 때 열화(배터리 노화)가 일어나지만 '요크와 셀'은 열화 없이 배터리 충전 사이클을 돌릴 수 있다. 연구팀은 이 기술이 배터리의 수명과 최대 충전 용량 등을 획기적으로 개선할 것이라고 <MIT뉴스>를 통해 말했다.

'요크와 셀'을 활용한 배터리는 급속 충전에서도 잘 버텼다. 일반적으로 급속 충전은 배터리 수명을 떨어뜨린다. 배터리의 테스트 유닛은 500회의 급속 충전 사이클을 거치고서도 절반 이상의 충전 가능 용량을 보존했다. 연구팀은 시제품에도 이 기술을 적용해 볼 예정이다. 기술이 정착되면 배터리 용량과 관련된 고민, 예컨대 전기자동차의 주행거리 같은 문제들을 해결하는 데 큰 도움이 된다.

아직은 연구실 실험 단계 수준이다. 그러나 요크를 생산하는 기술도 쉽고 필요한 물질도 쉽게 얻을 수 있으므로 생각보다 빠르게 실용화가 이뤄질 것으로 전망된다.

채반석 기자 chaibs@bloter.net

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