고용량 리튬이온 배터리 500번 넘게 써도 거뜬

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 리튬이온 배터리를 오랫동안 안정적으로 사용할 수 있는 양극 코팅 기술을 개발했다. 이 기술을 적용한 배터리는 500회 이상 충전과 방전을 반복해도 기존 용량의 95%에 준하는 성능을 유지했다고 연구진은 설명했다. 뿐만아니라 이 기술을 적용한 양극 소재는 고온이 아닌 상온에서 제작이 가능해 제조공정 비용이 절감될 것으로 전망하고 있다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학과 조재필 특훈교수팀이 리튬이온배터리의 수명을 늘릴 수 있는 하이니켈 양극 소재 코팅 기술을 개발했다고 1일 밝혔다. 하이니켈 소재는 니켈함량이 80%이상인 리튬이온 배터리 양극 소재로, 비싼 코발트 함량은 낮고 니켈함량이 높아 저렴하다.

연구진은 이 코팅 기술을 적용한 양극 소재가 주행거리 연장형 전기자동차 뿐만 에너지저장장치(ESS)용 리튬이온 배터리 시스템에 적용이 가능할 것이라고 전망했다.

연구진은 코팅제를 쓴 하이니켈 양극재와 상용 인조흑연 소재를 음극재로 쓴 배터리를 제조하고 코팅제의 성능을 평가했다. 실험 결과 500회 충전 및 방전 후에도 기존 용량의 95%에 이르는 성능을 보였으며, 이는 일반 하이니켈계 소재 대비 약 20% 향상된 수명 유지율이다.

조재필 특훈교수는 "현재 상용화된 하이니켈계 양극소재는 습식코팅 공정을 이용하는 것이 보편화돼 있으나, 잠재적으로 이미 등록된 미국특허의 침해 가능성이 아주 크고, 고온 합성이라 생산비용 상승 문제가 있다."며 "이번에 개발된 코팅법을 적용한 양극재 대량 합성공정 개발 시, 기존 코팅 공정 대비 적어도 20% 이상의 비용 절감 가능할 것"이라고 설명했다.

연구진은 보호제인 '코발트-보라이드' 화합물을 양극재 입자 표면뿐만 아니라 입자 내부까지 골고루 침투시킬 수 있는 상온 코팅 기술을 개발했다. '코발트-보라이드' 물질이 하이니켈 양극 구성 성분인 산소와 강한 결합을 이루는 원리로 상온 코팅이 가능하다. 주로 입자 표면에서 시작된 균열이 안으로 파고들어 입자 내부까지 균열이 생기는데, 새로 개발된 코팅법을 쓰면 입자 안팎을 모두 보호 할 수 있어 수명 유지 효과가 뛰어나다.

제1저자인 윤문수 박사과정생은 "하이니켈계 소재는 45℃ 이상의 고온에서 미세 구조 붕괴가 발생하는 문제가 있는데, 새로 개발한 코팅 법으로 이 문제도 해결했다"고 말했다. 또한 "상온에서 입자 표면뿐만 아니라 입자 내부까지 코팅이 가능하다"고 말했다.

이번 연구 결과는 미국 매사추세츠공과대(MIT)의 쥐 리 교수팀과 공동으로 진행해 에너지 분야의 권위 학술지인 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 2일(현지시각) 공개됐다.

한편, 대용량 배터리 양극 소재로 꼽히는 하이니켈 소재는 고용량 발현이 가능하고 가격이 상대적으로 저렴하다. 하지만 충·방전이 반복되면서 소재 입자 내부에 미세균열이 생길 뿐만 아니라 배터리 전해액과의 부반응 때문에 수명이 급격히 감소한다.

이 때문에 전극을 보호하기 위해 현재 생산 중인 모든 소재 표면에 코팅제를 발라 700℃ 이상의 고온에서 열처리하는 방식을 쓰고 있지만, 이는 성능 저하 와 공정비 상승으로 이어지는 문제가 있다.

[e-mail] 김만기 기자