충전과 방전 300회 반복해도 수명 85%까지 유지
(내외방송=정지원 기자) 앞으로 전기자동차 배터리 충전이 15분 안팎으로 줄어들 전망이다.
UNIST는 14일 '내외방송'에 보낸 자료를 통해 "UNIST 교원창업기업인 에스엠랩(SMLAB)이 리튬이온 배터리의 고속 충전 특성을 개선할 수 있는 '단결정(결정이 규칙적으로 생성된 고체) 양극 소재' 기술을 개발했다"고 밝혔다.
양극 소재의 형상과 표면구조를 변화시키는 것만으로도 수명이 30% 이상 향상된다는 것이다.
전기자동차에서 가장 많이 사용하는 배터리는 '리튬이온 배터리'다.
하지만, 리튬이온 배터리는 급속 충전을 반복하면 양극와 음극에서 부반응(다른 반응)이 일어나 수명이 저하되는 단점이 있다.
급속 충전을 할 때 리튬이온은 음극의 흑연 입자 내부로 들어가지 못하고, 전해액(전기 분해를 하기 위한 용액)과 반응해 손실된다.
양극에서도 빠른 속도로 리튬 이온이 드나들게 되는데, 이런 충전과 방전이 반복되면 부피가 팽창하면서 양극 구조를 붕괴해 리튬 이온 출입을 어렵게 만든다.
이 문제들은 결국 배터리의 온도를 높이고, 수명이 저하되는 결과를 낳는다.
이를 해결하기 위해 에스엡랩은 음극에 흑연을 그대로 사용하면서 양극 소재의 형성과 표면구조를 변화시켜 고속충전 특성을 획기적으로 개선한 고속 충전 기술을 개발했다.
에스엡랩이 개발한 양극 소재는 니켈(Ni)이 97%, 코발트(Co)가 2% 미만으로 함량된 단결정 NCA(M) 소재 'NiCoAlMn'다.
에스엡랩은 자체 운용 중인 파우치형 리튬 이온 배터리 제조설비를 이용해 고속 충전 평가를 진행했다.
양극은 187Wh/kg의 에너지 밀도를 가지는 1Ah 셀로 단위면적당 용량 4.07mAh/㎠에 25℃ 조건을 준 뒤 음극에는 흑연만 사용했다.
그 결과 15분 동안 충전과 방전을 300회 반복한 뒤에도 수명 특성이 85%까지 유지됐다.
반면, 평가 시 비교했던 다결정 소재는 충전과 방전을 225회 반복했더니 수명 유지율이 40%로 급격히 저하됐다.
이 평가 결과를 통해 다결정 소재에 빠른 속도로 리튬이온이 들어가고 나오면서 다결정의 표면 구조 붕괴가 가속화된다는 것을 알 수 있다.
다결정 구조는 수백 나노미터 크기의 작은 입자가 뭉쳐져 큰 입자를 구성하므로 빠른 속도로 리튬 이온이 드나들 때 표면 구조가 무너지면서 뭉쳐진 입자도 깨트린다.
조재필 에스엡랩 대표는 '내외방송'과 인터뷰를 통해 "고속 충전 시 배터리의 수명 개선을 위해 양극 소재의 형상을 단결정으로 만들고, 높은 전류가 걸릴 때 발생하는 높은 저항 문제는 망간 원소(Mn)와 극소량의 첨가제들을 도핑해 완전히 극복했다"고 말했다.
이어 "특히 단결정 표면에서 리튬 이온이 최대한 많이 이동하도록 특정 결정면 방향으로 향하게 한 부분은 양극의 형상과 표면 구조가 고숙 충전과 방전 특성에 영향을 미친다는 것을 보여준다"고 덧붙였다.
