MIT 연구원들은 이제 전기 자동차에 전력을 공급하는 보다 지속 가능한 방법을 제공할 수 있는 배터리 재료를 설계했다. 새로운 리튬 이온 배터리에는 코발트나 니켈(리튬 이온 배터리에 흔히 사용되는 또 다른 금속) 대신 유기 물질 기반의 양극이 포함되어 있다.

새로운 연구에서 연구진은 코발트 함유 배터리보다 훨씬 저렴한 비용으로 생산할 수 있는 이 물질이 코발트 배터리와 비슷한 속도로 전기를 전도할 수 있음을 보여주었다. 새로운 배터리는 또한 비슷한 저장 용량을 가지며 코발트 배터리보다 더 빠르게 충전할 수 있다고 연구진은 보고했다.

"이 소재는 정말 효과가 좋기 때문에 큰 영향을 미칠 수 있을 것 같다."고 W.M. MIT 에너지학과 켁(Keck) 교수인 미르체아 딘카(Mircea Dincă)는 말한다. "이미 기존 기술과 경쟁할 수 있으며, 현재 배터리에 들어가는 금속 채굴과 관련된 많은 비용과 고통, 환경 문제를 줄일 수 있다."

딘카는 ACS Central Science 저널에 게재된 해당 연구의 수석 저자이다. 천양 첸(Tianyang Chen) PhD '23과 전 MIT 박사후 연구원인 하리시 반다(Harish Banda)가 이 논문의 주요 저자이다. 다른 저자로는 MIT 박사후 연구원인 왕 지안데(Jiande Wang); MIT 대학원생 줄리어스 오펜하임(Julius Oppenheim); 그리고 볼로냐 대학의 연구원인 알레산드로 프란체스키(Alessandro Franceschi)이다.

코발트의 대안

대부분의 전기 자동차는 리튬 이온 배터리로 구동된다. 리튬 이온 배터리는 리튬 이온이 양극이라고 불리는 양극으로 충전된 전극에서 양극이라고 불리는 음극으로 흐를 때 재충전되는 배터리 유형이다. 대부분의 리튬 이온 배터리의 음극에는 높은 안정성과 에너지 밀도를 제공하는 금속인 코발트가 포함되어 있다.

그러나 코발트에는 심각한 단점이 있다. 희소한 금속인 가격은 급격하게 변동할 수 있으며 세계 코발트 매장량의 대부분은 정치적으로 불안정한 국가에 위치해 있다. 코발트 추출은 위험한 작업 환경을 조성하고 광산 주변의 토지, 공기 및 물을 오염시키는 독성 폐기물을 생성한다.

“코발트 배터리는 많은 에너지를 저장할 수 있고 성능면에서 사람들이 관심을 갖는 모든 기능을 갖추고 있지만 널리 보급되지 않고 가격이 원자재 가격에 따라 크게 변동한다는 문제가 있다. 그리고 소비자 시장에서 훨씬 더 높은 비율의 전기 자동차로 전환함에 따라 확실히 더 많은 비용이 들게 될 것이다.”라고 딘카는 말한다.

코발트에는 많은 단점이 있기 때문에 대체 배터리 재료를 개발하기 위한 많은 연구가 진행되었다. 그러한 물질 중 하나는 리튬-철-인산염(LFP)이며, 일부 자동차 제조업체는 이를 전기 자동차에 사용하기 시작했다. LFP는 여전히 실용적으로 유용하지만 에너지 밀도는 코발트 및 니켈 배터리의 절반 정도에 불과하다.

또 다른 매력적인 옵션은 유기 재료이지만, 지금까지 이러한 재료의 대부분은 코발트 함유 배터리의 전도성, 저장 용량 및 수명을 맞추지 못했다. 전도성이 낮기 때문에 이러한 재료는 일반적으로 전도성 네트워크를 유지하는 데 도움이 되는 폴리머와 같은 바인더와 혼합되어야 한다. 전체 재료의 최소 50%를 차지하는 이러한 바인더는 배터리의 저장 용량을 저하시킨다.

약 6년 전, 딘카의 연구실은 전기 자동차에 전력을 공급하는 데 사용할 수 있는 유기 배터리를 개발하기 위해 람보르기니의 자금 지원을 받는 프로젝트 작업을 시작했다. 일부는 유기이고 일부는 무기인 다공성 물질을 연구하는 동안 딘카와 그의 학생들은 자신들이 만든 완전한 유기 물질이 강력한 전도체일 수 있다는 것을 깨달았다.

이 물질은 3개의 융합된 육각형 고리를 포함하는 유기 소형 분자인 TAQ(비스-테트라아미노벤조퀴논)의 여러 층으로 구성된다. 이러한 층은 모든 방향으로 바깥쪽으로 확장되어 흑연과 유사한 구조를 형성할 수 있다. 분자 내에는 전자 저장소인 퀴논과 물질이 강한 수소 결합을 형성하는 데 도움이 되는 아민이라는 화학 그룹이 있다.

이러한 수소 결합은 물질을 매우 안정적이면서도 매우 불용성으로 만든다. 이러한 불용성은 일부 유기 배터리 재료처럼 재료가 배터리 전해질에 용해되는 것을 방지하여 수명을 연장시키기 때문에 중요하다.

“유기 물질의 주요 분해 방법 중 하나는 단순히 배터리 전해질에 용해되어 배터리 반대편으로 넘어가 본질적으로 단락을 일으키는 것이다. 재료를 완전히 불용성으로 만들면 해당 과정이 발생하지 않으므로 성능 저하를 최소화하면서 2,000회 이상의 충전 주기를 진행할 수 있다.”라고 딘카는 말한다.

강력한 성능

이 소재에 대한 테스트 결과 전도성과 저장 용량이 기존 코발트 함유 배터리와 비교할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 TAQ 양극을 적용한 배터리는 기존 배터리보다 충전과 방전 속도가 빨라 전기차 충전 속도도 높일 수 있다.

유기물을 안정화하고 구리나 알루미늄으로 만들어진 배터리 집전체와의 접착력을 높이기 위해 연구진은 셀룰로오스, 고무 등의 충진재를 추가했다. 이러한 필러는 전체 음극 복합재의 10분의 1 미만을 차지하므로 배터리의 저장 용량을 크게 줄이지 않는다.

또한 이러한 필러는 배터리가 충전될 때 리튬 이온이 음극으로 유입될 때 균열이 발생하는 것을 방지하여 배터리 양극의 수명을 연장한다.

이러한 유형의 음극을 제조하는 데 필요한 주요 재료는 퀴논 전구체와 아민 전구체이며, 이들은 이미 상용 화학 물질로 대량 생산되고 있다. 연구진은 이러한 유기 배터리를 조립하는 데 드는 재료 비용이 코발트 배터리 비용의 약 1/3~1/2이 될 수 있다고 추정한다.

람보르기니는 이 기술에 대한 특허를 취득했다. 딘카의 연구실에서는 대체 배터리 재료를 계속 개발할 계획이며 리튬을 리튬보다 저렴하고 풍부한 나트륨 또는 마그네슘으로 대체할 수 있는 가능성을 모색하고 있다.