리튬이온 배터리 수명 30% 개선은 했는데…

UNIST, 한미 공동 연구…"대량화 기술 선행돼야 상용화 가능"

급속 가열로 하이니켈 양극재 수명 늘렸다

- 새로운 소결 공정으로 비정상 입자 성장 억제된 고효율 양극재 제조

리튬이온 배터리의 수명을 30퍼센트 가량 개선할 수 있는 기술이 개발됐다. 다만, 이를 적용하기 위해서는 대량화 기술 개발이 선행되어야 하는 한계가 있다.

한국연구재단은 울산과학기술원(UNIST) 이현욱 교수 연구팀이 한미 공동으로 급속 줄 가열(rapid Joule heating) 기술을 기반으로 한 새로운 소결 공정을 제안, 리튬이온 배터리 수명과 율속(가장 느린반응) 특성을 향상시키는 데 성공했다고 11일 밝혔다.

UNIST 이현욱 에너지화학공학과 교수, 서정우 연구생(박사과정), 김민호 미국UCLA 박사후연구원.(왼쪽부터)

연구에는 IBS 로드니 루오프(Rodney Ruoff) 교수와 성원경 박사, 강원대학교 진성환 교수, 미국 UCLA 위장 리(Yuzhang Li) 교수 연구팀이 참여했다.

이현욱 교수는 "급속 줄 가열 방식은 대량화가 어렵다. 대량화 기술이 발견되면 상용화에 적용 가능할 것"이라며 "리튬 분야는 대기업이 모두 장악하고 있는 분야고, 이 이외 분야에서 기술이전을 검토중인 품목이 있다"고 설명했다.

급속 줄 가열 기술은 전기를 흘려 재료 자체를 순식간에 고온으로 가열, 배터리 소재를 신속히 조밀하게 만들면서도 입자 성장을 억제할 수 있는 기술이다.

이 교수는 "하이니켈 양극재는 대표적인 상용 배터리 소재로 고용량과 고에너지 밀도를 구현할 수 있어 전기차, 고속 충전 전지 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다"며 "다만, 열 안정성이 낮아, 고온 소결 과정에서 구조적·형상적 열화가 발생하기 쉽다는 문제가 있다"고 부연설명했다.

급속 줄 가열 실험 장치 및 급속 가열 및 냉각 과정. 소결 공정 중 지배적인 확산 매커니즘을 전환하기 위해 사용한 급속 줄 가열 시스템 장비 도식화. 수초(1~10s) 이내에 고온(1000~1500℃)에 도달할 수 있는 급속 줄 가열 시스템을 활용해 열처리를 진행하는 과정을 나타냈다.(그림=UNIST)

연구팀은 수초 새 고온에 도달할 수 있는 급속 줄 가열 시스템을 도입했다. 소결 공정 중 지배적인 확산 메커니즘을 전환하는 방식을 활용했다.

연구팀은 입자들이 치밀하게 응집(densification)되도록 유도, 비정상적인 입자 성장과 기공 잔존 현상을 억제했다. 그 결과, 전지 수명과 기계적 안정성 모두를 30퍼센터 가량 향상시키는데 성공했다.

이현욱 교수는 “단순한 열처리 조건의 변경을 넘어, 양극 소재의 소결 거동 전반에 대한 원리적 접근과 실증적 검증을 함께 수행했다는 데에 차별성이 있다”고 말했다.

연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 원천기술 국제협력개발사업(이차전지 국제공동연구)의 지원으로 수행됐다. 연구결과는 국제학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)에 온라인(8월 4일)으로 게재됐다.

리튬이온 배터리 전해액의 구조 (자료=IBS)