차세대 전기차 배터리 수명·안전성, 동시 끌어올리는 새로운 설계원리 기대
포스텍 연구팀이 전기차 배터리의 핵심 소재인 고니켈 양극재 내부에 '원자 수준의 기둥' 역할을 하는 안정화 구조를 형성해 배터리 수명과 안전성을 높이는 기술을 개발했다.
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| ▲ 포스텍 화학공학과·배터리공학과 조창신 교수(왼쪽), 포스텍 배터리공학과 박사과정 오지웅 씨. [포스텍 제공] |
포스텍은 화학공학과·배터리공학과 조창신 교수, 배터리공학과 박사과정 오지웅 씨 연구팀이 전기차 배터리의 핵심 소재인 고니켈 양극재의 구조를 안정시키는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.
이번 연구 성과는 에너지 저장 분야 국제 학술지 '에너지 스토리지 머티리얼즈'에 게재됐다.
전기차 배터리 성능은 양극재에 달려 있다고 해도 과언이 아니다. 그중 '고니켈 양극재'는 적은 양으로도 많은 에너지를 저장할 수 있어 전기차와 차세대 에너지 저장장치 핵심 소재로 주목받고 있다.
문제는 니켈을 많이 넣을수록 충방전할 때 결정 구조가 불안정해지면서 배터리가 오히려 잘 망가진다. 특히, 높은 전압으로 충전할 때 양극재 내부 원자 배열이 한쪽으로 수축하는데 이때 산소가 빠져나오면서 미세한 균열이 생겨 배터리 용량 감소와 안전성 저하를 유발했다.
기존에는 몰리브덴처럼 강한 양전하를 띠는 원소를 이용해 구조를 붙잡아 두려 했지만 이러한 원소들이 주로 양극재 입자 가장자리에 몰려 있어 정작 안쪽까지는 손을 쓰지 못했다.
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| ▲ 입자 전반 양이온 앵커링 구조를 통한 c-축 변형 억제 및 고전압 구조 안정성 향상 모식도. [포스텍 제공] |
연구팀은 양극재 입자 전체에 골고루 힘을 실어주는 방법을 개발했다. 양이온 계면활성제인 'CTAB(세틸트라이메틸암모늄 브로마이드)'를 이용해 몰리브덴 이온을 양극재 입자 구석구석까지 고르게 퍼뜨리는 데 성공했다.
그 결과 양극재 내부에서 니켈 이온이 리튬층 사이사이에 일정한 간격으로 자리 잡는 '양이온 앵커링' 구조가 만들어졌다.
분석 결과, 연구팀이 만든 코발트 없는 고니켈 양극재는 높은 전압에서도 구조가 잘 무너지지 않았고 300번을 충전하고 방전해도 처음 용량의 약 90%를 그대로 유지했다.
또한 산소가 빠져나오면서 생기는 가스 발생량도 크게 줄어 수명과 안전성을 동시에 잡았다.
가격이 비싸고 자원 확보도 쉽지 않은 코발트를 빼고도 오래 버티는 배터리를 만들 수 있다는 것은 전기차 산업에 반가운 소식이다. 배터리 원가를 낮추면서도 수명과 안전성은 오히려 높일 수 있는 길이 열린 셈이다.
조창신 교수는 "양극재 내부의 원자 배열 자체를 정밀하게 제어해 소재의 안정성을 높였다"며 "차세대 고에너지 밀도 전기차 배터리 수명과 안전성을 동시에 끌어올리는 새로운 설계 원리가 될 것으로 기대한다"고 말했다.
KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr
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