KETI 조우석 박사팀 충전량·수명 강화한 양극재 제조 기술 개발

▲단입자 NCM 양극재의 내부 구조 모식도. 다입자로 구성된 기존의 양극재(상단 왼쪽)에 비해 단입자 양극재(상단 오른쪽)는 여러 금속입자 간 경계 저항을 최소한으로 조성하였기 때문에 리튬 이온의 고속 이동이 가능하다. 단입자 양극재(하단 오른쪽ㆍSC-NCM-ASSB)는 높은 전류를 사용할수록 다입자(하단 왼쪽ㆍPC-NCM-ASSB) 양극재보다 우수한 용량 특성을 보여줬다. (자료=한국전자기술연구원)

한국전자기술연구원(KETI)이 전고체전지의 높은 충전 및 수명 특성을 가지는 양극재 제조 기술을 개발 관련 내용은 화학공학 분야 국제 저명 학술지 Chemical Engineering Journal 최신호에 게재됐다고 25일 밝혔다.

전고체전지는 기존 리튬이온전지의 양극과 음극 사이를 채우고 있는 액체 전해질을 고체로 바꾼 전지로서, 폭발 위험이 없어 안전하면서도 기존 전지에 비해 에너지 밀도가 높아 기술 상용화를 위한 글로벌 기술 경쟁이 치열해지고 있다.

특히 양극재는 배터리의 용량과 출력을 결정짓는 핵심적인 요소이지만, 전고체전지의 이온전도 성능을 확보하기 위한 대부분의 연구가 고체전해질 소재에 집중됐던 한계가 있었다.

KETI 차세대전지연구센터 조우석 박사팀(수석연구원)은 NCM 양극재 입자를 소입경(입자 크기 5μm)의 단입자 형태로 제조하는 기술을 개발함으로써 전고체전지에 특화된 최적의 양극재 설계 환경을 구현하였다.

NCM 양극재의 내부 구조를 단일 입자로 제조할 경우 기존 다입자 형태의 경계면에서 발생했던 저항을 최소한으로 줄일 수 있으며, 소입경화를 통해 양극재 표면에서 중심까지의 리튬 이온 이동 거리를 단축하고 전달 속도를 높일 수 있다.

또 단입자 형태의 양극재 물질은 다입자에 비해 입자 강도가 높아서, 반복적인 충·방전을 하더라도 입자 균열(크랙)이 거의 발생하지 않아 배터리 수명을 길게 유지해 주는 특성을 보였다.

산업통상자원부, 한국산업기술평가관리원의 지원을 통해 추진된 이번 연구 결과는 화학공학 분야의 세계적인 학술지 ‘Chemical Engineering Journal(IF=16.744)’ 최신호(470호)에 ‘전고체전지용 니켈 리치 양극재의 단일 입자 구조 형성’의 제목으로 게재됐다.

우지상 KETI 차세대전지연구센터장은 “KETI 연구진은 보유한 양극재 제조 기술을 융합하여 기존 리튬이차전지 2배 수준의 전극 용량에 6분 동안 85% 이상 충전이 가능한 양극 극판 기술을 확보하는 등 전고체전지 분야 초급속 충전 기술을 선도하고 있다”며 “센터는 해외 선진국을 앞서는 핵심 기술을 지속 확보하여 전고체전지 상용화에 주력하겠다”고 말했다.