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UNIST, 획기적 수명 개선 전기차용 전지 보호 코팅기술 개발

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'네이처 에너지(Nature Energy)'에 3.2일자로 공개

UNIST 에너지화학공학과 조재필 특훈교수 연구팀

‘코발트-보라이드(CoxB)’ 화합물로 상온 코팅기술 개발

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대용량 전극을 보호하는 코팅 기술이 개발돼 국내 전기차 배터리 개발이 탄력을 받게 됐다.

국내 연구진이 개발한 해당 연구는 에너지 분야 학술지 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 3월2일(현지시간)자로 논문명 'Reactive boride infusion stabilizes Ni-rich cathodes for lithium-ion batteries'로 발표됐다.

3일 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 조재필 특훈교수 연구팀이 美MIT(매사추세츠공과대학교)의 쥐 리(Ju Li) 교수 연구팀과 공동으로 배터리 수명을 저해하는 양극재 입자의 미세균열과 화학적 불안정성을 크게 개선할 수 있는 코팅 기술을 개발했다고 밝혔다.

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](왼쪽부터) 윤문수 연구원과 조재필 교수 /연구진사진=UNIST

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신규 코팅물질을 쓴 배터리 셀은 수백회의 충전과 방전 이후에도 재료 구조가 안정적으로 유지됐으며, 사용 양극재 대비 약 20%나 향상된 수명을 보였다. 또한 상온에서 입자 표면뿐만 아니라 입자 내부까지 코팅이 가능한 혁신 기술이다.

주행거리를 늘리기 위한 대용량 리튬이온 배터리 연구가 활발하다. 배터리 관련 양극소재 분야서 고가의 코발트 사용을 최소화하고 높은 용량을 발현하는 하이니켈 소재(Ni 함량 80%, NCM)가 차세대 소재로 주목 받고 있다.

조 교수 연구팀에 따르면 고용량 발현이 가능하고 가격이 상대적으로 저렴한 대용량 배터리 양극 소재로 꼽히는 하이니켈은 충방전이 반복되면서 소재 입자 내부에 미세균열이 생기며 배터리 전해액과의 부반응 때문에 수명이 급격히 떨어진다. 하이니켈 소재는 니켈함량이 80% 이상인 소재로 배터리 양극재는 배터리 가격에서 차지하는 비중이 높은데 비싼 코발트 함량은 낮고 니켈함량이 높아 저렴하다.

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코발트 보라이드 화합물 (CoXB)이 적용된 Ni계 양극소재 미세구조 모식도. CoXB 코팅물질이 Ni계 양극소재의 이차입자의 최외각 표면을 비롯한 일차 입자간 결정립계에 확산하여 분포함. 일반 Ni계 양극소재의 주사전자현미경 이미지(SEM, 좌), CoXB 코팅물질이 적용된 Ni계 양극 소재의 주사전자현미경 이미지(SEM, 우). /연구그림=UNIST

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이로 인해 전극을 보호하기 위해 현재 생산 중인 모든 소재 표면에 코팅제를 발라 700℃ 이상의 고온에서 열처리하는 방식을 쓰고 있지만 이것은 성능 저하와 공정비 상승으로 이어지기 때문에 연구팀은 보호제인 '코발트-보라이드(CoxB)' 화합물을 양극재 입자 표면 뿐만아니라 입자 내부까지 고루 침투시킬 수 있는 상온 코팅 기술을 개발했다고 설명했다.

코발트-보라이드 물질이 하이니켈 양극 구성 성분인 산소와 강한 결합을 이루는 원리로 상온 코팅이 가능하며, 주로 입자 표면에서 시작된 균열이 안으로 파고들어 입자 내부까지 균열이 생기는데 새로 개발된 코팅법은 입자 안팎을 모두 보호할 수 있어 수명 유지 효과가 크다고 한다.

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CoXB-NCM 양극을 적용한 셀과 일반 NCM양극을 적용한 셀 성능 비교 /연구그림=UNIST

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코팅제를 쓴 하이니켈 양극재와 상용 인조흑연 소재를 음극재로 사용한 배터리를 제조하고 코팅제의 성능을 평가한 결과 500회 충전 및 방전 후에도 기존 용량의 95%에 이르는 성능을 보였으며, 이것은 일반 하이니켈계 소재 대비 약 20% 수명 유지율이 향상된 수치다.

또한 연구팀은 고온에서 하이니켈계 소재가 45℃ 이상의 고온에서 미세 구조 붕괴가 발생하는 데 새로 개발한 코팅법으로 이 문제를 해결했으며, 개발된 코팅 물질이 하이니켈 양극소재의 구조적 안정성을 개선하는 원리와 현상도 이론 계산과 원자단위의 투과전자현미경으로 규명했다고 밝혔다.

조재필 특훈교수는 "현재 상용화된 하이니켈계 양극소재는 습식코팅 공정을 이용하는 것이 보편화되어있으나, 잠재적으로 이미 등록된 미국특허의 침해 가능성이 아주 크고, 고온 합성이라 생산비용 상승 문제가 있다" 며 "신규 개발된 코팅법을 적용한 양극재 대량 합성공정 개발 시, 기존 코팅 공정 대비 적어도 20% 이상의 비용 절감 가능할 것"이라고 말했다.

이 양극소재는 주행거리 연장형 전기자동차 뿐만 ESS용 리튬이차전지 시스템에 적용이 가능할 전망이다.

케미컬뉴스 김민철 기자 (mckim@chemicalnews.co.kr)

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