UNIST-교원창업기업 에스엠랩 공동 연구
15분 고속충전 300회 반복에도 초기 성능 85% 유지 확인
환경부는 전기차 이용자들이 충전기를 쉽고 편리하게 이용할 수 있도록 국내 대표 플랫폼 기업인 티맵 모빌리티·카카오 모빌리티와 ‘전기차 충전시설 스마트 서비스 제공을 위한 업무협약’을 체결하고 8월부터 서비스를 제공한다. 충전 중인 전기차. 서울신문 DB
울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과, 교원창업기업 에스엠랩 공동 연구팀이 전기차 배터리를 15분 만에 충전할 수 있는 단결정 양극(+) 소재를 개발했다. 이번 기술을 활용하면 기존 음극(-) 소재를 그대로 쓰면서 고속충전을 반복할 때 발생하는 수명 저하도 막을 수 있다.
전기차에 들어가는 리튬이온 배터리를 급속충전을 반복하면 전지의 양극과 음극에서 부반응(side reaction)이 발생해 수명이 급격히 떨어진다. 급속충전을 하면 리튬이온이 음극의 흑연 입자 내부로 들어가지 못하고 전해액과 반응해 손실된다. 반면 양극에서는 빠른 속도로 리튬이 드나들게 된다. 이런 충전과 방전이 반복되면 부피가 팽창해 리튬이온이 오갈 수 없게 된다. 즉, 수명이 저하된다는 것이다.
지금까지는 배터리 수명과 충전 속도 개선을 위해 주로 음극 소재를 바꾸는 방식이 연구됐다. 흑연 대신 리튬이나 흑연과 실리콘을 혼합시킨 음극을 써 충전 시간을 줄이려는 것이다. 고속충전을 위해서는 높은 전류를 흘려줘야 하는데 양극 소재를 바꾸면 전극 두께가 얇아져 저항이 적게 걸리면서 더 빠르게 충전이 가능하다.
연구팀은 음극에는 흑연을 그대로 사용하면서 양극 소재와 표면구조를 바꿔 고속충전 특성을 개선했다. 현재 쓰이는 배터리의 양극 소재는 아주 작은 입자들이 뭉쳐진 다결정 형태이고 니켈 함량이 80%, 단가가 비싼 코발트 함량이 5% 이상이다. 이에 연구팀은 니켈 함량을 97%까지 높이고 코발트 2% 미만으로 줄여 가격경쟁력까지 높인 단결정 소재로 양극을 만들었다.
연구팀은 에스엠랩에서 자체 운용 중인 파우치형 리튬이온 배터리 제조설비를 이용해 고속충전 평가를 실시했다. 그 결과, 15분 동안 90%까지 충전을 시키고 완전 방전시키는 것을 300회 반복한 뒤에도 성능 수명이 처음의 85%까지 유지됐다. 그렇지만, 기존 리튬이온 배터리는 똑같은 충전과 방전을 225회 반복시키자 수명 유지율이 40%까지 저하되는 것이 확인됐다.
조재필 UNIST 교수(에스엠랩 대표)는 “이번 연구는 양극의 형상과 표면구조가 고속 충전-방전 특성에 영향을 미친다는 것을 보여주고 있다”며 “이번에 개발한 양극 소재는 고객사 검증을 완료하고 시범 생산 중이며 매출도 발생하는 만큼 실제 전기차에도 쓰일 수 있을 것”이라고 말했다.
유용하 기자
