POSTECH-삼성SDI, '나노스프링'으로 스마트폰 배터리 충·방 효율 "더블로"

박규영 교수 "기존 제조 공정과 접목 쉬워…상용화 언제든지 가능"

POSTECH이 삼성SDI와 미국 노스웨스턴대 및 중앙대와 공동으로 스마트폰 배터리 충·방전 효율을 최대 100%까지 개선할 수 있는 '나노스프링' 기술을 개발했다.

이 연구는 POSTECH 친환경소재대학원·신소재공학과 박규영 교수 연구팀이 주도했다.

연구결과는 재료 분야 국제 학술지 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 온라인판에 게재됐다.

연구팀은 "배터리의 수명을 기존과 유사한 수준이거나 더 우수하게 개선했다"며 "무엇보다 에너지 밀도를 기존대비 5~10% 개선했다"라고 설명했다.

나노스프링 기술을 개발해 배터리 성능을 개선한 POSTECH 박규영 교수와 임종헌 연구생(박사과정). 이 연구는 삼성SDI 등과 진행했다.(사진=POSTECH)

전자기기 등에 쓰이는 배터리는 충·방전이 반복되면서도 성능을 유지해야 한다. 하지만 충·방전 과정에서 배터리 양극 소재가 팽창과 수축을 반복하면서 내부에 미세한 균열이 생기고, 시간이 지나면 성능이 급격히 저하된다.

통상 배터리 성능은 스마트폰은 500~800회 충·방전시 80%이하, 전기차는 1천회 충·방전시 70~80%를 유지하는 것으로 알려졌다.

연구팀은 이 문제의 개선책을 탄성 구조의 ‘나노 스프링 코팅’에서 찾았다.

배터리 양극재 표면에 다중벽 탄소나노튜브로 구성된 코팅을 도입해 충·방전 과정에서 발생하는 변형 에너지를 흡수하고 균열을 방지한 것. 전극 두께 변화도 최소화했다. 이를 통해 전극 안정성도 높였다.

연구팀에 따르면 이 기술을 활용하면 소량(0.5wt%, 중량백분율)의 도전재만으로도 570Wh/kg 이상의 높은 에너지 밀도를 실현할 수 있다. 또한, 1천회 이상의 충·방전 후에도 초기 용량의 78% 성능을 유지한다.

박규영 교수는 "전기차를 대상으로 연구개발을 진행했지만, 스마트폰 등 이차전지 분야 뿐만아니라, 소재 내구성이 중요한 여러 산업에 적용 가능하다"고 설명했다.

나노 스프링 도입에 따른 활물질 균열 복원 과정 모식도. 나노스프링이 탄성체 역할을 하며 충방전 효율과 에너지 밀도를 개선한다.(그림=POSTECH)

박 교수는 또 "기존 배터리 제조 공정과 쉽게 결합할 수 있어 대량 생산과 상용화가 쉬울 것"으로 예상하며 "보다 성능이 뛰어난 전기차 등의 개발에 기여할 것"으로 기대했다.

연구는 삼성SDI, 산업통상자원부, 과학기술정보통신부 기초연구의 지원을 받아 수행됐다.