▲ 펜실바니아주립대 연구진이 개발한 '리툼-이온 배터리' 기술 개념도

극저온에서도 에너지 손실 없이 전력을 공급할 수 있는 리튬-이온 배터리 기술이 개발됐다. 리튬-이온 배터리는 저온 상태에선 에너지 저장과 전원 공급의 효율이 급격하게 떨어진다. 충전하는 것도 힘들다.

‘IEEE 스펙트럼’ 따르면 미국 펜실바니아주립대학 '오-양 왕', '샤오-광 양' 연구원은 극저온에서도 정상적으로 전원을 공급할 수 있는 리튬-이온 배터리 기술을 개발했다. 이 배터리 기술은 저온에서 동작하는 전기 자동차, 높은 고도에서 비행하는 드론, 기온이 매우 낮은 행성에서 활동하는 우주 탐사 로봇 등의 전력 공급원으로 활용 가능할 것으로 보인다. 펜실바니아주립대 과학자들은 이번 연구 결과를 ‘네이처’지 1월호에 게재했다. 이들이 개발한 리튬-이온 배터리 기술은 배터리업체인 'EC파워'에 의해 시험 생산 단계에 들어갔다.

리튬-이온 배터리는 영하의 기온에선 심각한 전력 손실이 발생한다. 저온 상태에선 충전도 힘들다. 전기자동차의 경우 ‘회생제동(regenerative breaking)' 능력이 떨어진다. 저온에선 전기자동차의 순항거리가 40% 가량 하락하는 것으로 알려지고 있다. 차가워진 엔진을 가동하기 위해선 용량이 큰 비싼 배터리를 설치해야만 한다.

저온에서 리튬-이온 배터리의 성능을 높이기 위해 과학자들은 그동안 배터리 전해질에 첨가제를 사용하거나, 외부 절연 및 온열 장치에 관한 방법을 사용했다. 하지만 전자는 고온에서 배터리 수명을 줄이는 가스를 방출하고, 후자는 배터리의 크기가 커지는 단점이 있었다.

펜실바니아 주립대 연구진은 ‘전전후 리튬-이온 배터리’ 기슬을 개발했다. 첨가제나 외부 온열장치 대신 50마이크로미터 넓이의 니켈 박막을 추가했다. 이를 통해 영하의 온도에서 전기가 니켈 박막을 통해 흐르도록 했다. 이 과정에서 열이 발생, 배터리 내부의 온도를 올리는 효과가 생긴다. 에너지 효율성은 90% 수준에 달했다.

연구진은 “얇은 니켈 박막이 낮은 기온에서 작동하지 않는 배터리의 시대를 끝냈다”고 말했다.
연구팀이 프로토타입 제품을 대상으로 실험한 결과 영하 20도~30도의 기온에서도 20초~30초안에 배터리의 온도를 높이는 것으로 나타났다. 에너지 소비는 배터리 저장 용량의 3.8~5.5%에 불과했다. 연구팀은 2017년까지 배터리 저장용량의 1%만을 사용해 5초안에 배터리의 온도를 높일 수 있는 기술을 개발하겠다고 밝혔다.