초고속 충·방전 가능 전기차 배터리 신소재 개발

2분 이내 급속 충방전 300회 이상 실시해도 초기 성능 유지

국내 연구진이 고용량과 고출력 특성의 새로운 양극(+)재를 개발해 전기자동차(EVs) 배터리 성능을 향상시켜 주목된다.

한국과학기술연구원(KIST) 에너지융합연구단 오시형 박사 연구팀이 서울대학교 최장욱 교수 연구진과의 공동연구를 통해 고용량 배터리의 양극재로 사용되는 과리튬망간 전이금속 산화물(LMR, Lithium- and Manganese-Rich nickel-cobalt-manganese oxide) 소재에 나노미터 크기의 고이온전도성 표면층을 생성해 표면 열화 현상을 극복한 새로운 양극재 개발에 성공했다.

이 신소재는 간단한 1회 공정으로 합성한 양극재로 열화 현상 억제가 가능하며, 2분 이내의 급속 충방전을 300회 이상 실시해도 초기 성능 유지하는 장점이 있다.

차세대 양극재로 주목받고 있는 LMR 소재는 여타 상용화 양극재보다 에너지밀도가 높고 안전한 소재이다. 하지만 충방전 간 결정구조가 불안정해지는 현상으로 인해 상용화 적용에는 한계를 가지고 있었다. 이러한 현상은 주로 양극재 입자의 표면에서 일어나므로 표면 특성의 제어는 LMR 소재의 상용화를 좌우하는 핵심요소이다.

KIST 연구진은 LMR 양극재 표면을 안정화하고 나아가 빠른 리튬이온전달을 가능하게 하는 표면구조를 형성하는 새로운 기술을 개발했다. 쉽고 간편한 한 번의 공정으로 이온전도도가 높은 지르코늄 혼합산화물을 LMR 활물질 표면에 1~2 나노미터 코팅층으로 형성해 표면에서 원활한 리튬이온의 확산이 가능하게 하고 소재의 열화 현상을 억제하는데 성공했다.

이번 연구를 통해 개발된 ‘수 나노미터 크기의 지르코늄 함유 혼합전이금속 산화층’이 생성된 양극재는 2분 이내의 고속 충방전을 300회 이상 실시해도 초기의 우수한 특성을 그대로 유지했다. 이는 고용량 및 고출력이 동시에 가능한 소재로서 전기자동차 배터리에 적용 시 충전 시간을 단축하고 주행거리를 향상시키며, 제조 공정을 간소화시킬 것이 기대되는 등 상용화에 근접한 기술로 평가되고 있다.

아울러, 본 연구에서 개발된 양극재 합성 기법 및 개선 방안은 차세대 전기차 및 중대형 에너지저장시스템 (ESS, Energy Storage systems)에 응용 가능한 다른 핵심 전극 소재 개발에도 새로운 해법을 제시할 것으로 전망된다.

이 연구는 과학기술정보통신부지원으로 KIST 기관고유사업과 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업을 통해 수행됐으며, 연구 결과는 나노기술 분야 국제 학술지인 ‘Nano Letters’(IF: 12.712, JCR 분야 상위 4.00%)에 11월 16일자 온라인에 게재됐다.