KETI, 전고체전지 특화 고출력·장수명 양극재 기술 개발

‘수명·속도·안전성 세 마리 토끼’…화학공학 국제 학술지 게재

한국전자기술연구원(KETI·원장 신희동)이 전고체전지의 높은 충전 및 수명 특성을 가지는 양극재 제조 기술을 개발, 관련 내용이 화학공학 분야 국제 저명 학술지 최신호에 게재됐다고 25일 밝혔다.

경기 성남시에 있는 한국전자기술연구원(KETI) 본원

전고체전지는 기존 리튬이온전지 양극과 음극 사이를 채우는 액체 전해질을 고체로 바꾼 전지다. 폭발 위험이 없어 안전하면서도 기존 전지보다 에너지 밀도가 높아 기술 상용화를 위한 글로벌 기술 경쟁이 치열하다.

특히 양극재는 배터리 용량과 출력을 결정짓는 핵심적인 요소이지만, 전고체전지 이온전도 성능을 확보하기 위한 대부분의 연구가 고체전해질 소재에 집중된 한계가 있었다.

KETI 차세대전지연구센터 조우석 박사팀은 니켈·코발트·망간(NCM) 양극재 입자를 소입경(입자 크기 5μm) 단입자 형태로 제조하는 기술을 개발, 전고체전지에 특화된 최적의 양극재 설계 환경을 구현했다.

KETI 연구진이 개발한 단입자 NCM양극재의 내부 구조 모식도와 용량 특성 그래프.

단입자 양극재 특성 측정 결과와 단면 이미지.

NCM 양극재 내부 구조를 단일 입자로 제조하면 기존 다입자 형태 경계면에서 발생하는 저항을 최소한으로 줄일 수 있다. 또 소입경화하면 양극재 표면에서 중심까지의 리튬 이온 이동 거리를 단축하고 전달 속도를 높일 수 있다.

KETI 연구진은 양극재 내부 이온 전달 경로를 최적화해 방전율 5C(배터리 용량의 5배 전류 사용) 환경에서 가용 용량을 기존 41%에서 74%까지 끌어올렸다.

또 단입자 형태 양극재 물질은 다입자보다 입자 강도가 높기 때문에, 반복적인 충방전을 하더라도 입자 균열(크랙)이 거의 발생하지 않아 배터리 수명을 길게 유지해 주는 특성을 보였다.

산업통상자원부와 한국산업기술평가관리원의 지원을 통해 추진된 이번 연구 결과는 화학공학 분야 세계적인 학술지 ‘Chemical Engineering Journal(IF=16.744)’ 최신호(470호)에 ‘전고체전지용 니켈 리치 양극재의 단일 입자 구조 형성’의 제목으로 게재됐다.

유지상 KETI 차세대전지연구센터장은 “KETI 연구진은 보유한 양극재 제조 기술을 융합해 기존 리튬이차전지 2배 수준의 전극 용량에 6분 동안 85% 이상 충전이 가능한 양극 극판 기술을 확보하는 등 전고체전지 분야 초급속 충전 기술을 선도하고 있다”며 “센터는 선진국을 앞서는 핵심 기술을 지속 확보해 전고체전지 상용화에 주력하겠다”고 밝혔다.