 KIST, 배터리 구조 붕괴를 억제하는 새로운 양극 소재 기술 개발 100회 충·방전 이후에도 초기 성능의 92% 이상 유지 한국과학기술연구원(KIST) 에너지저장연구센터 박정진 박사 연구팀이 전기차 주행거리를 늘리면서도 배터리 수명을 오래 유지할 수 있는 새로운 양극 소재 기술을 개발했다. 배터리 초기 구동 과정에서 전기를 가하여 원자 배열을 재구성하고, 이를 통해 내부 층과 층 사이를 지탱하는 ‘원자 기둥’을 형성해 구조 붕괴를 억제하는 신기술이다. 이 기술은 고니켈 양극 소재 전반에 적용할 수 있어, 다양한 전기차 배터리 시스템에 활용 가능하다.
정리 편집부
자료제공 KIST
전기차 보급이 빠르게 늘어나면서 한 번 충전으로 더 멀리 갈 수 있는 高에너지 배터리의 요소인 니켈 성분이 필수적이다. 현재 더 많은 에너지를 저장하기 위해 니켈 함량을 높이는 추세지만, 니켈이 90%를 넘어서는 하이-니켈 양극재는 충·방전을 반복할수록 내부 구조가 부풀거나 급격히 수축하며 무너지는 ‘붕괴 현상’이 발생해 수명이 빠르게 줄어드는 문제가 있다. 이러한 구조적 불안정성은 배터리에 미세한 균열을 일으키고 수명을 급격히 단축해 그동안 고성능 전기차 보급의 주요한 걸림돌로 작용해 왔다.
층과 층 사이 지탱하는 ‘원자 기둥’ 박정진 박사 연구팀은 충·방전을 반복해도 배터리 내부 구조가 쉽게 무너지지 않도록 설계된 새로운 기술을 개발했다. 배터리 초기 구동 과정에서 전기를 가하여 원자 배열을 재구성하고, 이를 통해 내부 층과 층 사이를 지탱하는 ‘원자 기둥’을 형성해 구조 붕괴를 억제했다. 이를 통해 하이-니켈 양극 소재에서도 내부 균열 발생이 크게 줄어들었고, 장시간 안정적인 구조를 유지할 수 있었다.
실험 결과, 이 기술이 적용된 배터리는 100회 충·방전 이후에도 초기 성능의 92% 이상을 유지해 기존 하이-니켈 소재보다 뛰어난 내구성을 보였다. 또한, 별도의 첨가제나 복잡한 공정 없이 구조 안정성을 확보해 제조 공정을 단순화할 수 있다는 점도 장점이다. 이에 따라 배터리 생산 비용을 낮추는 동시에 장기간 사용에 따른 성능 저하와 유지 부담을 줄일 수 있다.
이번 기술은 하이-니켈 양극 소재 전반에 적용할 수 있어, 다양한 전기차 배터리 시스템에 활용 가능하다. 배터리 원가절감과 수명 증가는 전기차 가격 경쟁력 향상으로 이어져 대중적인 전기차 보급을 앞당길 것으로 기대된다. 또한, 에너지저장장치(ESS) 등 고성능·장수명 배터리가 요구되는 분야로의 확장을 통해 차세대 배터리 시장에서 우리나라의 기술 경쟁력 강화를 뒷받침할 것으로 전망된다.
EV 배터리 상용화 가능성 검토 중 KIST 박정진 박사는 “이번 연구는 배터리 손상의 근본 원인을 원자 수준에서 규명하고 이를 전기화학적 방법으로 해결했다는 점에서 기술적 의의가 있다”며, “현재 전기차용 배터리 적용을 위한 상용화 가능성을 검토 중으로, 후속 연구를 통해 실제 활용으로 이어가겠다”고 밝혔다.
한편, 해당 연구는 과학기술정보통신부의 지원을 받아 KIST 주요사업 및 우수신진연구(RS-2022-NR072103), 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업(GTL24012-000) 등으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 『네이처 에너지(Nature Energy)』(IF 60.1, JCR 분야 상위 0.1%)에 게재됐다.
<Energy News>
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