초고속 빛으로 '전고체 배터리 수명' 크게 늘린다

연구재단 한양대 김영범 교수팀, 고니켈 양극 안정화 기술 확보

[대전=뉴시스] 광에너지 기반 양극활물질의 표면개질 연구도.(사진=한양대 제공) *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 전기차와 에너지저장장치(ESS)에 적용되는 전고체 배터리의 핵심 소재인 고니켈 양극의 안정성을 짧은 빛 처리만으로 크게 높일 수 있는 기술이 개발됐다.

한국연구재단은 한양대학교 김영범 교수팀이 강한 빛을 이용한 초고속 열처리공정을 통해 전고체 배터리용 고니켈 양극 소재의 성능저하 문제를 해결했다고 1일 밝혔다.

전고체전지는 액체 대신 고체전해질을 사용해 화재 위험을 낮추고 에너지 밀도는 높이는 차세대 배터리 기술로 주목받고 있으나 니켈 함량이 높은 니켈 리치(Ni-rich) 양극재는 에너지 저장용량이 크지만 충·방전과정에서 구조가 무너지거나 고체전해질과 반응해 성능이 급격히 저하되는 문제가 있다.

또 이를 보완하는 코팅 및 도핑기술은 추가 공정과 열처리가 필요해 시간, 비용이 증가하고 대량생산에도 한계가 있다.

이번에 연구팀은 강한 빛을 아주 짧은 시간인 수 밀리초 동안 조사하는 '광소결(FLS)' 공정을 도입해 기존 문제를 해결했다.

광소결(Flash-Light Sintering)은 제논 가스의 방전현상을 이용해 매우 강하고 밝은 빛을 내는 장치인 제논램프의 강력한 백색광 에너지를 짧은 순간 조사해 소재를 치밀화시키는 소결 공정이다.
 
이 공정은 제논램프에서 방출된 강한 빛을 이용, 소재 표면만 순간적으로 가열하는 방식으로 별도의 코팅이나 전구체 없이 양극 표면을 직접 가공할 수 있다.

연구팀은 검증을 통해 양극 표면은 약 900℃ 이상으로 순간 가열되는 반면 내부는 63℃ 수준을 유지해 구조 손상 없이 표면만 선택적으로 변화시키는 것을 확인했다.

양극 표면에 형성된 자가생성 보호층은 양극과 황화물 고체전해질의 반응을 차단하는 화학적 보호층 역할과 충·방전 과정에서 양극 구조 붕괴를 억제하는 지지대의 역할을 했다.

성능 평가 결과, FLS 공정을 적용한 양극 소재는 전고체전지에서 현저한 성능 향상을 보여 기존 소재는 100회 충·방전 후 용량 유지율이 55% 수준였지만 FLS 처리 소재는 약 81%를 유지했고 특히 고전압 조건에서 기존 소재 대비 두 배 가까운 안정적인 용량 유지 특성을 나타냈다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌기초연구실 사업의 지원으로 수행되니 이번 연구결과는 재료공학 분야 최상위 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)'에 지난 2월 8일 온라인 게재됐다.

김영범 교수는 "이번 연구는 전고체전지의 핵심 난제인 양극-전해질 계면 안정성과 구조 붕괴 문제를 동시에 해결한 기술"이라며 "초고속 빛 공정을 통해 고성능 배터리 소재를 효율적으로 제조할 수 있는 새로운 제조 플랫폼을 제시했다는 점에서 의미가 크다"고 밝혔다.


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