"전기차 충전해 더 오래 달린다"···전지 보호기술로 수명 20% 늘려

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 대용량 전극을 보호하는 코팅기술을 개발하고, 전기차를 더 오래 주행하게 할 배터리를 만들 가능성을 높였다.

새로운 코팅물질을 쓴 배터리 셀은 수 백회 충·방전 이후에도 재료 구조를 안정적으로 유지했고, 상용 양극재 대비 약 20% 수명이 더 길었다.

조재필 교수(오른쪽)와 윤문수 연구원(왼쪽).(사진=울산과학기술원)

울산과학기술원(UNIST)은 조재필 에너지화학공학과 특훈교수 연구팀이 쥐 리(Ju Li) 미국 MIT 공대 교수 연구팀과 함께 배터리 수명을 막는 양극재 입자의 미세균열과 화학적 불안정성을 좋게 만드는 코팅기술을 개발했다고 1일 밝혔다.

대용량 배터리 양극 소재로 꼽히는 하이니켈 소재는 높은 용량을 사용할 수 있고, 가격도 상대적으로 싸다. 하지만 충·방전이 반복되면 소재 입자에서 미세한 균열이 생기고, 배터리 전해액과 다른 반응이 발생해 수명도 급격히 줄어든다.

현재 전극을 보호하기 위해 생산중인 모든 소재 표면에 코팅제를 발라 700도 이상의 높은 온도에서 열처리하고 있지만, 성능이 낮아지거나 공정비가 높아진다는 문제가 있었다.

연구팀은 보호제인 ‘코발트·보라이드’ 화합물을 양극재 입자 표면뿐만 아니라 입자 내부까지 골고루 침투시킬 수 있는 상온 코팅 기술을 개발했다. 이 화합물은 하이니켈 양극 구성 성분인 산소와 강하게 결합하기 때문에 상온에서 코팅할 수 있다. 균열은 입자표면에서 시작해 안으로 파고드는데 새로 개발한 코팅법을 쓰면 입자 안팎을 모두 보호하고, 수명을 유지한다.

연구팀은 코팅제를 쓴 하이니켈 양극재와 상용 인조흑연 소재를 음극재로 쓴 배터리를 만들고, 코팅제 성능을 평가했다. 실험 결과 500회 충·방전 후에도 기존 용량의 95%에 이르는 성능을 보였다. 일반 하이니켈계 소재 대비 수명 유지율이 약 20% 향상된 것이다.

연구팀은 하이니켈 양극소재의 구조적 안정성을 개선하는 원리와 현상도 이론계산과 투과전자현미경으로 확인했다.

조재필 특훈교수는 “하이니켈계 양극소재는 높은 온도에서 합성해야 하기 때문에 생산 비용이 높다”며 “새로 개발한 코팅법을 적용해 양극재 대량 합성공정을 개발하면 기존 공정 보다 적어도 20% 이상 비용을 아낄 수 있다”고 말했다.

연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지인 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 2일자(현지시각)로 공개됐다.

CoXB-NCM 양극을 적용한 셀과 일반 NCM양극을 적용한 셀 성능 비교.(자료=울산과학기술원)