국내 연구진, 리튬이온배터리 수명 5배 늘리는 '양극재 기술' 개발

500번 충·방전 반복에도 94.2% 성능

연구 이미지.(사진=포스텍 제공)

[포항=뉴시스]안병철 기자 = 국내 연구진이 리튬이온배터리의 수명을 5배 이상 늘리는 양극재 기술을 개발해 관심이 쏠리고 있다.

포스텍 배터리공학과·화학공학과 조창신 교수, 배터리공학과 박사과정 오지웅, 중앙대 융합공학부 윤성훈 교수 연구팀은 양극재 내부 도판트 위치 제어 기술 개발로 배터리의 수명을 5배 이상 늘리는 데 성공했다고 5일 밝혔다.

기존 배터리 소재는 비싼 코발트를 줄이고, 니켈 함량을 높인 '코니켈 무코발트 양극재'로 가격 면에서는 유리하지만 수명에는 한계가 있었다.

또한 배터리가 충전과 방전을 반복할수록 안쪽 구조가 조금씩 무너져 배터리 내부 원자들이 배열된 구조가 틀어지면서 작은 균열이 생기고, 결국 전체 구조가 손상돼 수명이 짧아지는 것이다. 이런 변형은 c-축 격자 왜곡'이라고 불리는 현상으로, 수명 저하의 주범이다.

연구팀은 이번 연구에서 '유기 계면활성제'를 활용한 새로운 합성법을 개발해 지르코늄 이온을 양극재의 가장 작은 입자 내부까지 고르게 퍼지게 하고, 열처리 과정에서는 탄소 환원 효과를 통해 지르코늄을 입자 속에 단단히 고정하는 역할까지 하는 것을 확인했다.

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

실험에서도 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 말했다.


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