현재 사용 중인 전기 자동차의 배터리 수명을 2배 이상 늘린 기술이 개발됐다고 캐나다 댈하우지 대학교(Dalhousie University)의 제프 단(Jeff Dahn) 교수가 발표했다.

단 교수는 ‘160만km까지 사용할 수 있는 자동차용 전기 리튬-이온 배터리 기술을 개발했다’고 전기화학학회지(Journal of Electrochemical Society) 저널에 발표했다.

테슬라 전기 자동차의 연구 파트너인 단 교수는 테슬라가 택시와 장거리 전기 트럭을 가능하게 할 획기적인 배터리를 갖게 될지 모른다고 말했다. 개인용 승용차가 아닌, 택시나 장거리 트럭의 배터리는 “100만 마일(160만 km)을 운행하면서 적어도 20년은 버틸 수 있어야 한다”고 단 교수는 말했다.

단 교수 연구팀은 보통 새로운 기술을 발표할 때 핵심적인 부분은 감추는 것과는 달리. 새로운 배터리 셀에 대한 정보를 공개함으로써 세계 각국 전문가들의 추가 연구에 도움이 되도록 하고 있다.

연구팀은 음극 재료로 니켈(Ni)이 풍부한 니켈-코발트-망간(NCM) 재료를 사용했다. 이는 현재 모바일 전자 장치에 전기를 공급하는 리튬-이온 배터리 보다 20% 더 높은 용량을 갖는다. 이들이 선택한 NCM523은 니켈 50%, 코발트 20%, 망간 30%으로 구성된다.

양극 전극에는 인공 흑연을 사용했으며, 전극 단자 사이에 리튬 이온을 운반하는 전해질은 여러 화합물과 혼합된 리튬 소금으로 구성된다.

단일 결정의 나노 구조 음극 사용

NMC와 흑연을 사용한 리튬이온 배터리는 에너지 밀도와 수명을 증가시키는 것으로 오래전부터 알려져 왔다. 전해질과 첨가제는 영업 비밀의 대상이 되는 것이지만, 전문가들 사이에서 성분은 잘 알려져 있다.

그러나 단 교수 연구팀은 이 재료들이 가장 좋은 성능을 낼 수 있는 최적화를 찾아냈다. 또한 배터리 음극의 나노 구조를 조정함으로써 엄청난 성능 향상을 달성했다.

연구팀은 음극으로 작은 NMC 결정을 여러 개 사용하는 대신, 큰 결정체를 사용한다고 와이어드(Wired)는 보도했다. 이 '단일 결정' 나노 구조는 배터리를 충전할 때 균열이 발생할 가능성이 낮다.

음극 재료의 균열은 배터리의 수명 및 성능 저하를 초래한다. 일반적으로 에너지 밀도와 배터리 수명 사이에는 하나의 성능이 높아지면, 다른 하나가 손해를 보는 트레이드 오프가 발생한다. 단 교수 연구팀은 이 트레이드 오프를 절충하는 불가능해 보이는 도전을 극복한 것이다.

오래 사용해도 저장용량 10%만 줄어

이를 통해  연구팀은 배터리를 4000번 이상 충전해도 전기 저장용량이 약 10%만 줄어든다고 발표했다. 2014년의 어떤 논문은 리튬-이온 배터리를 1000번 사용하면 저장 용량의 절반이 줄어든다고 결과를 발표했다.

배터리 성능은 소비자들이 사용하는 전기 자동차에서 가장 중요한 특성 중 하나이다. 운전자들은 한 번 충전으로 장거리 운전을 할 수 있기를 원한다. 테슬라 신형차는 한번 충전으로 590km를 운행할 수 있지만, 평균적인 미국인은 하루에 4분의 1 충전 거리 정도만 사용한다.

그러나 택시나 장거리 전기 트럭을 운행하기 위해서는 훨씬 더 긴 일일 주행거리가 필요하므로, 테슬라 배터리 팩의 현재 수명인 50만 km에서 80만 km로는 충분하지 않다.

일론 머스크는 지난 4월 수명이 160만 km 이상 되는 배터리를 테슬라 전기자동차에 공급할 수 있을 것이라고 밝혔다. 당시만 해도 사람들은 테슬라가 그 약속을 지키기 어려울 것이라고 생각했다.

테슬라와 단 교수는 논문이 발표된 직후, 논문에 기술된 배터리와 거의 동일한 단결정 리튬-이온 배터리 기술에 대한 특허를 등록했다. 특허받은 배터리는 ODTO라는 전해질 첨가제를 포함하는데, 특허 청구는 “성능과 리튬-이온 배터리의 수명을 동시에 향상시키면서 비용을 절감할 수 있다”고 밝혔다.

이 특허받은 배터리가 머스크가 내년에 생산에 들어갈 것이라고 말한 160만 km까지 이동 가능한 배터리인지는 확실하지 않다고 와이어드는 보도했다.