포스텍 등 국내연구진 배터리 수명 5배 이상 향상시킨 기술 개발

비싼 코발트 없이 고성능 구현…국산 전기차 배터리 소재 경쟁력 강화 기대

포스텍 조창신 교수

포스텍 박사과정 오지웅 씨

중앙대 윤성훈 교수

리튬이온배터리 수명을 획기적으로 늘릴 기술이 국내 연구진에 의해 개발돼 산업계의 관심이 쏠리고 있다.

포스텍(포항공대) 배터리공학과·화학공학과 조창신 교수, 박사과정 오지웅 씨, 중앙대 융합공학부 윤성훈 교수 연구팀이 양극재 내부 도판트 위치 제어 기술을 통해 배터리 수명을 5배 이상 늘리는 양극재 기술 개발에 성공했다.

연구결과는 재료과학 국제 학술지 '머티리얼즈 투데이'에 최근 게재됐다.

최근 전기차가 빠르게 확산·보급되면서 한번 충전으로 더 멀리가고, 몇 년이 지나도 충전력이 유지되는 배터리 기술 확보가 매우 중요한 문제가 됐다.

특히 비싼 코발트를 줄이고, 니켈 함량을 높인 '고니켈 무코발트 양극재'의 경우 가격 면에서는 경쟁력이 있지만 오래 쓰기에는 부적합하다는 단점이 있다.

이에 연구팀은 단점으로 지적된 짧은 수명의 근본 원인에 주목했다. 배터리는 충전과 방전을 반복하면 내부 원자들의 배열 구조가 변형되면서 전체적인 균형이 무너진다.

이런 변형은 'c-축 격자 왜곡'이라고 하는데, 배터리 수명 저하의 주범으로 지목 받고 있다.

연구팀은 이런 문제 해결을 위해 '유기 계면활성제'를 활용한 새로운 합성법을 찾아냈다. 핵심은 지르코늄 이온을 양극재의 가장 작은 입자 내부까지 고르게 퍼지게 하는 것이다.

연구팀이 적용한 유기 계면활성제는 요리할 때 기름과 물을 섞는 유화제처럼 합치기 어려운 성분들을 고르게 섞어주는 역할을 한다. 또 열처리 과정에서 유기 계면활성제는 탄소 환원 효과를 통해 지르코늄을 입자 속에 단단히 묶어주며 양극재를 마치 건물에 철골구조를 넣은 것처럼 강하게 했다.

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.

포스텍 조창신 교수는 "이번 기술은 고가의 코발트를 사용하지 않으면서도 안정적으로 작동하는 차세대 양극재 개발에 새로운 방향을 제시한 결과물"이라며 "국산 전기차 배터리 소재의 경쟁력을 높이는 데 많은 도움이 될 것으로 기대된다"고 했다.