나노신소재로 리튬 배터리 성능·안정성 높였다

원자력연 창업기업 내일테크놀로지, 질화붕소 나노튜브 기반 전해질 첨가제 개발

나노 신소재를 이용해 리튬이온 배터리의 성능과 안정성을 높이는 기술이 나왔다. 

한국원자력연구원은 연구원 창업기업 내일테크놀로지가 질화붕소 나노튜브(BNNT, Boron Nitride NanoTubes)를 활용한 리튬이차전지 전해질 첨가제를 개발했다고 26일 밝혔다. 

BNNT는 탄소나노튜브 수준의 열전도 및 기계적 특성을 가지면서, 900℃ 이상 고온에서 안정적이고 화학적 반응성이 낮아 주목받는 신소재다. 내일테크놀로지는 독자 개발한 BNNT 제조 기술과 장치를 기반으로 2015년 설립한 연구원 창업기업이다. BNNT 대량 생산 기술을 갖고 있다. 

배터리 소재 성능 향상을 위해 탄소나노튜브가 양극과 음극에 첨가제로 쓰이는데, 전기 전도성이 있어 절연이 필요한 분리막이나 전해질에는 사용할 수 없다.

내일테크놀로지는 전기절연 세라믹 나노소재인 BNNT를 분리막과 전해질에 적용할 수 있다는 점에 주목했다. BNNT를 전해질에 직접 첨가하는 대신, BNNT 분말을 분리막에 코팅해 전해질 첨가제 역할을 하는 기술을 개발했다. 이 기술은 배터리 제작 공정에 쉽게 적용할 수 있고, 배터리 출력, 용량, 충‧방전, 안전성 등 주요 성능을 모두 향상시킨다. 

질화붕소 나노튜브가 적용된 파우치 배터리 (사진=원자력연)

리튬 이온전도도는 20% 이상, 이온전달수는 50% 이상 증가했다. 리튬이온 전도도와 전달수가 높을수록 배터리 출력이 커지고 충전 속도가 빨라진다. 배터리 양극 무게당 용량(mAh/g)인 비용량(specific capacity)도 10% 향상돼 배터리 용량이 증가했다. 500회 고속 충·방전 테스트에서는 배터리 충·방전시 충전 대비 방전 용량 비율인 쿨롱 효율은 99.6%였다. 

또 분리막 열 수축률을 50% 이상 낮춰 안전성도 높였다. 배터리 온도 상승으로 분리막의 열 수축으로 양극과 음극이 맞닿으면 폭발할 위험을 낮출 수 있다. BNNT 입자는 실린더 모양 구조라 열을 밖으로 효율적으로 방출할 수 있다.

김재우 내일테크놀로지 대표는 "BNNT가 전해질 첨가제로 배터리 성능 향상에 쓰일 수 있다는 것을 실험적으로 증명한 최초 사례"라며 "앞으로 BNNT를 기존 배터리에 적용할 수 있도록 사업화에 힘쓰고, 리튬이온 전도도와 안전성이 크게 향상된 차세대 전해질도 개발할 예정"이라고 밝혔다.

이번 연구는 학술지 'ACS 머티리얼스 레터스(American Chemical Society Materials Letters)에 최근 실렸다. 한국에너지공과대학 두석광 교수팀, 충남대 최재학, 송우진 교수팀 공동 연구의 성과다. 논문 제목은 Enhancement of Columbic Efficiency and Capacity of Li-Ion Batteries using a Boron NitrideNanotubes-Dispersed-Electrolyte with High Ionic Conductivity 이다.