한번 충전으로 더 멀리 가는 ‘전기차’ 기술 개발 ‘탄력’

UNIST 조재필 교수팀, 양극재 보호 코팅기술 개발
500회 충방전 후 기존 용량 95% 성능...20% 수명향상
국내 연구진이 전기차 배터리 핵심 소재의 수명을 높이는 코팅 기술을 개발, 한 번 충전으로 더 오래 달리는 전기차 개발이 탄력을 받게 될 전망이다.

울산과학기술원(UNIST) 조재필 특훈교수 연구팀은 전기차 배터리의 수명을 저해하는 양극재 입자의 미세균열과 화학적 불안정성을 획기적으로 개선한 '양극재 보호 코팅 기술'을 개발했다고 1일 밝혔다.

대용량 배터리 양극소재인 하이니켈(니켈 함량이 80% 이상)은 고용량 구현과 저렴한 가격으로 전기차 배터리에 널리 쓰인다. 하지만, 충·방전이 반복되면서 소재 입자 내부에 미세균열이 생기고, 배터리 전해액과의 반응으로 수명이 급격히 줄어드는 문제가 있다. 이 때문에 전극을 보호하기 위해 모든 소재 표면에 코팅제를 발라 700도 이상의 고온에서 열처리하는 공정을 거치고 있으나, 이는 성능 저하와 공정비 상승 등을 유발한다.

연구팀은 보호제인 '코발트-보라이드' 화합물을 양극재 입자 표면과 입자 내부까지 골고루 침투시킬 수 있는 상온 코팅기술을 개발했다. 코발트-보라이드는 하이니켈 양극 구성 성분인 산소와 강하게 결합해 상온 코팅을 가능하게 한다.

이 코팅 기술을 적용하면 입자 안팎을 모두 보호할 수 있어 수명 유지 효과가 뛰어나다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 하이니켈 양극재와 상용 인조흑연 소재를 음극재로 쓴 배터리를 제조하고, 코팅제 성능을 평가했다. 실험 결과, 45℃ 고온 수명뿐 아니라 고용량 배터리의 500회 충·방전 후에도 기존 용량의 95%의 성능을 보였는데, 이는 일반 하이니켈 소재보다 20% 향상된 수명율이다.

연구팀은 고온과 500회 충·방전 이후에도 일반 하이니켈계 양극소재보다 이차입자의 깨짐현상과 전이금속 용출현상이 현저히 줄어든 것을 확인했다.

조재필 UNIST 특훈교수는 "코팅 기술은 이차전지를 구성하는 전해질을 비롯한 음극의 성능 열화를 억제하는데 활용할 수 있을 것"이라며 "양극재 대량 합성공정 개발 시 기존 코팅 공정 대비 20% 이상의 비용 절감 효과가 가능해 전기차의 주행거리를 늘리고 에너저장장치(ESS)용 리튬이차전지에 적용할 수 있다"고 말했다. 이번 연구결과는 에너지 분야 국제 학술지 '네이처 에너지(2일자)'에 실렸으며, 쥐 리 미국 MIT대 교수 연구팀과 공동으로 진행했다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr