- 저렴한 상온 코팅으로 상용 양극재 수명·열안정성 극복해… Nature Energy 게재

한 번 충전으로 오래 달리는 전기차 배터리(리튬이온전지) 개발이 탄력을 받게 됐다. 국내 연구진이 대용량 전극(양극재)을 보호하는 코팅 기술을 개발했기 때문이다. 

신규 코팅 물질을 쓴 배터리 셀은 수백 회의 충전·방전 이후에도 재료구조가 안정적으로 유지됐으며, 상용 양극재 대비 약 20%나 향상된 수명을 보였다. 이번 연구결과는 에너지 분야의 권위 학술지인 Nature Energy에 3월 2일 자(현지시각)로 공개됐다.

UNIST (총장 이용훈) 에너지화학공학과 조재필 특훈교수 연구팀은 배터리 수명을 저해하는 양극재 입자의 미세균열과 화학적 불안정성을 획기적으로 개선할 수 있는 코팅 기술을 개발했다. 상온에서 입자 표면뿐만 아니라 입자 내부까지 코팅 가능한 혁신 기술로 주목을 받고 있다.

대용량 배터리 양극 소재로 꼽히는 하이니켈 소재는 고용량 발현이 가능하고 가격이 상대적으로 저렴하다. 하지만 충·방전이 반복되면서 소재 입자 내부에 미세균열이 생길 뿐만 아니라 배터리 전해액과의 부반응 때문에 수명이 급격히 감소한다.

* 하이니켈 소재: 니켈(Ni)함량이 80% 이상인 소재. 배터리 양극재는 배터리 가격에서 차지하는 비중이 높은데 비싼 코발트 함량은 낮고 니켈함량이 높아 저렴하다는 장점이 있다.

이 때문에 전극을 보호하기 위해 현재 생산 중인 모든 소재 표면에 코팅제를 발라 700°C 이상의 고온에서 열처리하는 방식을 쓰고 있지만, 이는 성능 저하와 공정비 상승으로 이어지는 문제가 있다.

그림 1. 개발된 코팅법이 입자 내부(결정립계)까지 코팅하는 모식도와 실제 현미경 사진

CoXB 코팅 물질이 Ni계 양극 소재의 이차 입자의 최 외각 표면을 비롯한 일차 입자 간 결정립계에 확산하여 분포함. 일반 Ni계 양극 소재의 주사전자현미경 이미지(SEM, 좌), CoXB 코팅 물질이 적용된 Ni계 양극 소재의 주사전자현미경 이미지(SEM, 우)

연구팀은 보호제인 ‘코발트-보라이드 (CoxB)’ 화합물을 양극재 입자 표면뿐만 아니라 입자 내부까지 골고루 침투시킬 수 있는 상온 코팅 기술을 개발했다. ‘코발트-보라이드 (CoxB)’ 물질이 하이니켈 양극 구성 성분인 산소와 강한 결합을 이루는 원리로 상온 코팅이 가능하다. 

주로 입자 표면에서 시작된 균열이 안으로 파고들어 입자 내부까지 균열이 생기는데, 새로 개발된 코팅법을 쓰면 입자 안팎을 모두 보호할 수 있어 수명 유지 효과가 뛰어나다.

그림 2. 개발된 코팅법을 적용한 양극재를 썼을 경우 배터리 수명 유지 효과

음극을 인조흑연으로 채택하고, 양극을 각각 CoXB-NCM, 그리고 일반 NCM으로 적용한 셀의 사이클 당 용량 및 (쿨롱)효율의 변화를 비교한 그래프이다. ‘CoXB-NCM/흑연’ 셀은 ‘일반 NCM/흑연’에 비하여, 500 사이클 기준 약 20%가량 향상된 수명 유지율을 보인다. 효율이 ‘일반 NCM/흑연’에 비하여 ‘CoXB-NCM/흑연’에서 높은 수치에서 안정적으로 유지됨을 통해 부반응이 억제되고 있음을 알 수 있다.

연구진은 코팅제를 쓴 하이니켈 양극재와 상용 인조흑연 소재를 음극재로 쓴 배터리를 제조하고 코팅제의 성능을 평가했다. 실험 결과 500회 충전 및 방전 후에도 기존 용량의 95%에 이르는 성능을 보였으며, 이는 일반 하이니켈계 소재 대비 약 20% 향상된 수명 유지율이다.

제1저자인 윤문수 UNIST 에너지공학과 박사과정생은 “하이니켈계 소재는 45°C 이상의 고온에서 미세 구조 붕괴가 발생하는 문제가 있는데, 새로 개발한 코팅 법으로 이 문제도 해결했다”고 설명했다.

또 연구진은 개발된 코팅 물질이 하이니켈 양극 소재의 구조적 안정성을 개선하는 원리와 현상도 이론계산과 원자단위의 투과전자현미경으로 규명했다.

지도교수인 조재필 특훈교수는 “현재 상용화된 하이니켈계 양극 소재는 습식코팅 공정을 이용하는 것이 보편화되어 있으나, 잠재적으로 이미 등록된 미국특허의 침해 가능성이 아주 크고, 고온 합성이라 생산비용 상승 문제가 있다”며, “신규 개발된 코팅법을 적용한 양극재 대량 합성공정 개발 시, 기존 코팅공정 대비 적어도 20% 이상의 비용 절감 가능할 것”이라고 기대했다.

한편, 이번 연구는 美 MIT(매사추세츠공과대학교)의 쥐 리(Ju Li) 교수 연구팀과 공동으로 진행됐다.

* 논문명: Reactive boride infusion stabilizes Ni-rich cathodes for lithium-ion batteries

자료문의: 에너지화학공학과 조재필 특훈교수 (052)217-2910