UNIST, 양극재 코팅 기술 개발…전기차 배터리 수명 20% ↑

UNIST, 양극재 코팅 기술 개발…전기차 배터리 수명 20% ↑

  • 기자명 최태우
  • 입력 2021.03.02 11:46
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▲ 개발된 코팅법으로 입자 내부까지 코팅하는 모식도


[더퍼블릭 = 최태우 기자] UNIST 연구진이 대용량 전극(양극재)을 보호하는 코팅 기술을 개발하면서 전기차 배터리 수명연장에 기여한 것으로 나타났다.

UNIST는 에너지화학공학과 조재필 특훈교수 연구팀이 배터리 수명을 저해하는 양극재 입자의 미세균열과 화학적 불안정성을 획기적으로 개선할 수 있는 코팅 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.

신규 코팅물질을 사용한 배터리 셀은 수백회의 충전·방전 이후에도 재료 구조가 안정적으로 유지됐으며, 상용화 된 양극재 대비 수명이 20%가량 향상됐다. 이번 연구 결과는 에너지 분야의 권위 학술지인 Nature Energy에 3월 2일자로 공개됐다.

대용량 배터리 양극 소재로 꼽히는 하이니켈 소재는 고용량 발현이 가능하고 가격이 타 소재 대비 상대적으로 저렴하다.

다만 사용에 따라 충전과 방전이 반복되면서 소재 입자 내부에 미세균열이 생길 뿐만 아니라 배터리 전해액과의 부반응 때문에 수명이 급감한다는 단점이 존재한다.

이 같은 단점을 보완하기 위해 현재 생산 중인 모드 소재 표면에 코팅제를 발라 700도 이상의 고온에서 열처리하는 방식을 사용하고 있지만, 성능 저하와 공정비 상승으로 연결되는 문제가 있다.

▲ 코팅법을 적용한 양극재의 배터리 수명 유지 효과를 나타낸 그래프


연구팀은 보호제인 ‘코발트-보라이드(CoxB)’ 화합물을 양극재 입자 표면뿐만 아니라 입자 내부까지 골고루 침투시킬 수 있는 상온 코팅 기술을 개발했다.

CoxB 물질이 하이니켈 양극 구성 성분인 산소와 강한 결합을 이루는 원리로 상온 코팅이 가능하다는 것이다.

소재 입자 미세균열은 대부분 표면에서 시작된 균열이 안으로 파고들어 입자 내부까지 균열이 생기는데, 새로 개발된 코팅법을 쓰면 입자 안팎을 모두 보호 할 수 있어 수명 유지 효과가 뛰어나다.

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 달하는 성능을 보였으며, 일반 하이니켈계 소재 대비 20%가량 수명이 향상됐다. 

▲ 조재필 교수(오른쪽)와 제1 저자인 윤문수 에너지공학과 박사과정생


해당 연구 논문의 제1저자인 윤문수 UNIST 에너지공학과 박사과정생은 “하이니켈계 소재는 섭씨 45도 이상의 고온에서 미세 구조 붕괴가 발생하는 문제가 있으나 새로 개발한 코팅법으로 이 문제도 해결했다”고 설명했다.

또 연구진은 개발된 코팅 물질이 하이니켈 양극소재의 구조적 안정성을 개선하는 원리와 현상도 이론계산과 원자단위의 투과전자현미경으로 규명했다.

지도교수인 조재필 교수는 “현재 상용화된 하이니켈계 양극 소재는 습식 코팅 공정을 이용하는 것이 보편화돼 있으나 잠재적으로 이미 등록된 미국 특허의 침해 가능성이 크고, 고온 합성이라 생산 비용 상승 문제가 있다”고 말했다.

이어 “신규 개발한 코팅법을 적용한 양극재 대량 합성 공정 개발 시, 기존 코팅 공정과 비교해 적어도 20% 이상의 비용 절감이 가능할 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 미국 매사추세츠공대의 쥐 리(Ju Li)교수 연구팀과 공동으로 진행됐다. 

[사진제공=연합뉴스]

더퍼블릭 / 최태우 기자 therapy4869@daum.net 

더퍼블릭 / 최태우 therapy4869@daum.net

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