KPI뉴스 - 포스텍 연구팀, 리튬이온배터리 수명 5배 이상 늘릴 기술 개발

포스텍은 리튬이온배터리 수명을 획기적으로 늘릴 기술을 개발했다고 5일 밝혔다.

▲ 포스텍 배터리공학과·화학공학과 조창신 교수. [포스텍 제공]

포스텍에 따르면 조창신 교수 연구팀이 중앙대 윤성훈 교수 연구팀과 함께 양극재 내부 도판트 위치 제어 기술을 통해 배터리 수명을 5배 이상 늘리는 양극재 기술을 개발했다. 이 연구는 전기차 시장에서 저렴하고 효율적인 대안으로 주목받으며, 재료과학 국제 학술지 '머티리얼즈 투데이'에 게재됐다.

전기차가 보편화되면서 배터리의 '지구력'이 중요해졌다. 한 번 충전으로 더 멀리 가고, 몇 년이 지나도 튼튼한 배터리가 필요하지만 기존 배터리 소재는 수명에 한계가 있었다. 특히, 비싼 코발트를 줄이고 니켈 함량을 높인 '고니켈 무코발트 양극재'는 가격 면에서는 유리하지만 오래 쓰기에는 무리가 있었다.

▲ 중앙대 융합공학부 윤성훈 교수. [포스텍 제공]

배터리는 충전과 방전을 반복할수록 안쪽 구조가 조금씩 무너진다. 배터리 내부 원자들이 배열된 구조가 틀어지면서 작은 균열이 생기고, 결국은 전체 구조가 손상되는 것이다. 이런 변형은 'c-축 격자 왜곡'이라고 불리는 현상으로, 수명 저하의 주범이다.

연구팀은 '유기 계면활성제'를 활용한 새로운 합성법을 개발했다. 핵심은 지르코늄 이온을 양극재의 가장 작은 입자 내부까지 고르게 퍼지게 하는 것이다. 이때 유기 계면활성제는 섞이기 어려운 성분들을 고르게 섞어주는 역할을 한다. 또한, 열처리 과정에서는 탄소 환원 효과를 통해 지르코늄을 입자 속에 단단히 고정하는 역할까지 한다.

그 결과, 양극재는 마치 건물에 철골 구조를 세운 것처럼 튼튼해졌다. 지르코늄 이온이 배터리 결정 구조 안에서 기둥처럼 작용해 반복되는 충·방전에도 쉽게 무너지지 않도록 지탱하는 것이다.

▲ 고니켈 기반의 무코발트 양극재 일차 입자 내부 Zr 이온 균일 도핑에 따른 격자 변형 억제 모식도. [포스텍 제공]

실험에서도 이 소재의 강점은 뚜렷하게 나타났다. 100번의 충·방전 후에도 98.6%의 용량을 유지했고, 500번을 반복해도 94.2%의 성능을 보였다. 이는 기존의 고니켈 무코발트 소재보다 무려 5배 이상 수명이 길어진 수치다.

조창신 교수는 "이번 기술은 고가의 코발트를 사용하지 않으면서도 안정적으로 작동하는 차세대 양극재 개발에 새로운 방향을 제시한다"며 "국산 전기차 배터리 소재의 경쟁력을 높이는 데 도움이 될 것"이라고 밝혔다.

KPI뉴스 / 장영태 기자 3678jyt@kpinews.kr

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