15분만에 충전...국내 연구진, 전기차 급속충전용 소재 개발

이재은 기자 / 기사승인 : 2022-07-14 10:03:38
  • -
  • +
  • 인쇄
에스엠랩 '단결정 양극 소재' 기술 개발
급속충전 반복해도 수명저하 현상없어
전기자동차(EV) 배터리를 15분만에 충전할 수 있는 '양극 소재' 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 

울산과학기술원(UNIST) 교원창업기업인 에스엠랩(SMLAB)은 리튬이온 배터리의 고속충전 특성을 개선할 수 있는 '단결정 양극 소재' 기술을 개발했다고 14일 밝혔다. 양극 소재의 형상과 표면구조를 변화시키는 것만으로도 수명이 30% 이상 향상됐다. 이 소재는 현재 고객사 검증을 끝내고 에스엠랩에서 시범 생산중이다.

전기차에 탑재되는 리튬이온 배터리는 급속충전을 반복하면 양극과 음극에서 부반응이 일어나 수명이 짧아진다. 급속충전시 리튬이온은 음극의 흑연 입자 내부로 들어가지 못하고 전해액과 반응해 손실된다. 양극에서도 빠른 속도로 리튬이온이 드나들게 되는데, 이런 충‧방전이 반복되면 부피가 팽창하면서 양극 구조를 붕괴해 리튬이온 출입을 어렵게 만든다.

이런 문제들은 결국 배터리 셀(cell) 온도를 높이고, 전해액과 양극·음극 소재 표면에서 분해도 가속화되므로 수명 저하로 이어지는 것이다. 이를 해결하는 기술로는 주로 음극 소재의 개선이 제안됐다. 흑연 대신 리튬을 사용하거나 흑연과 실리콘을 사용해 충전시간을 단축하려는 시도였다. 리튬이온이 이동하는 속도가 흑연보다 리튬금속이나 실리콘에서 더 빠르기 때문이다.

에스엠랩에서 개발한 고속충전 기술은 음극에 흑연을 그대로 사용하면서 양극 소재의 형성과 표면구조를 변화시켜 고속충전에 따른 수명 저하를 줄였다는 점에서 획기적인 방식으로 평가받고 있다. 이번에 개발한 양극 소재는 니켈(Ni) 97%, 코발트(Co) 2% 미만 함량의 단결정 NCA(M) 소재(NiCoAlMn)다.

▲니켈 97% NCA(M) 단결정 소재의 주사전자현미경 사진 (그림=유니스트)


조재필 에스엠랩 대표는 "기존에 사용되는 고속충전용 양극 소재는 다결정이고 니켈 함량이 80% 정도에, 비싼 코발트 함량이 5% 이상"이라며 "니켈 함량을 97%까지 높이고, 코발트 함량은 2% 미만으로 줄여 가격경쟁력을 높인 단결정 양극 소재는 이번에 처음으로 보고됐다"고 말했다.

에스엠랩은 자체 운용중인 파우치형 리튬이온 배터리 제조설비를 이용해 고속충전 평가를 진행했다. 양극은 187Wh/kg의 에너지 밀도를 가지는 1암페어(Ah) 셀로 단위면적당 용량 4.07mAh/㎠, 25℃ 조건을 주고, 음극에는 흑연만 사용했다. 그 결과 15분동안 90% 충전과 방전을 300회 반복했는데도 수명이 85%까지 유지됐다. 반면 동일한 조성의 다결정 소재는 225회 충‧방전 반복시 수명 유지율이 40%로 뚝 떨어졌다.

이같은 결과를 통해 다결정 소재에 빠른 속도로 리튬이온이 들어가고 나오면서 다결정의 표면구조 붕괴가 가속화됨을 알 수 있다. 다결정 구조는 수백 나노미터(㎚) 크기의 작은 입자가 뭉쳐 큰 입자 하나를 구성하므로, 빠른 속도로 리튬이온이 드나들 때 표면구조가 무너지면서 뭉쳐진 입자도 깨트리게 되는 것이다.

▲다결정 소재와 단결정 소재의 압연시 비교 (그림=유니스트)

조재필 대표는 "고속충전시 배터리의 수명 개선을 위해 양극 소재의 형상을 '단결정'으로 만들고, 높은 전류가 걸릴 때 발생하는 높은 저항 문제는 망간 원소(Mn)와 극소량의 첨가제들을 도핑해 완전히 극복했다"며 "특히 단결정 표면에서 리튬이온이 최대한 많이 이동하도록 특정 결정면 방향으로 향하게 한 부분은 양극의 형상과 표면구조가 고속 충‧방전 특성에 영향을 미친다는 것을 보여준다"고 설명했다.

에스엠랩은 2018년 7월 유니스트 에너지화학공학과 조재필 특훈교수가 창업한 곳으로, 니켈 함량 80% 이상의 NCM(A)과 NCA를 수세 공정없이 단결정 형태로 양산하는 기술을 보유하고 있다. 니켈 함량 94% 이상 소재는 현재 연간 7200톤 생산중이며, 2023년까지 생산량을 2만8800톤까지 늘릴 계획이다.

Copyright @ NEWSTREE All rights reserved.

뉴스트리 SNS

  • 뉴스트리 네이버 블로그
  • 뉴스트리 네이버 포스트
  • 뉴스트리 유튜브
  • 뉴스트리 페이스북
  • 뉴스트리 인스타그램
  • 뉴스트리 트위터

핫이슈

+

Video

+

ESG

+

'신한은행' 지난해 ESG경영 관심도 1위...KB국민·하나은행 순

지난해 1금융권 은행 가운데 ESG경영에 가장 많은 관심을 쏟은 곳은 신한은행으로 조사됐다. KB국민은행과 하나은행이 뒤를 이었다.1일 데이터앤리서치

"AI시대 전력시장...독점보다 경쟁체제 도입해야"

인공지능(AI) 시대를 맞아 전력시장에 경쟁체제를 도입하고, 전력수요처에 발전설비를 구축하는 분산형 시장이 필요하다는 목소리가 나왔다. 대한상공

KCC그룹, 산불 피해복구 위해 3억5000만원 기부

KCC그룹이 산불 피해복구를 위해 3억5000만원을 기부했다고 31일 밝혔다.KCC는 2억원, KCC글라스는 1억원 그리고 KCC실리콘은 5000만원을 전국재해구호협회를

8년만에 바뀐 '맥심 모카골드' 스틱...친환경 디자인으로 변경

맥심 '모카골드'와 '슈프림골드' 스틱이 8년만에 친환경 디자인으로 바뀌었다.동서식품은 커피믹스의 주요제품인 '맥심 모카골드'와 '맥심 슈프림골드'

LG U+, CDP 기후변화대응 부문 최고등급 '리더십A' 획득

LG유플러스는 탄소정보공개 프로젝트(CDP)의 2024년 기후변화대응 부문 평가에서 최고등급인 '리더십 A등급'을 획득했다고 31일 밝혔다.CDP는 매년 전세계

코오롱ENP, 에코바디스 ESG 평가서 '상위 1%'

산업용 엔지니어링플라스틱 전문기업 코오롱ENP가 세계적 권위의 ESG 평가에서 '상위 1%' 등급을 획득했다. 코오롱ENP는 글로벌 ESG 평가기관 에코바디스(E

기후/환경

+

"1.5℃ 기후목표에 매몰되면 농경지 12.8% 감소할 것"

1.5℃ 기후목표 달성을 위한 전세계 정책이 전세계 농경지 면적을 약 12.8% 줄이는 결과를 초래해 식량 위기안보에 부정적인 영향을 줄 수 있다는 연구가

산불이 끝이 아니다...비오면 산사태 위험 200배

경북 대형산불이 지나간 자리에 산사태라는 또다른 위험이 도사리고 있다. 2∼3개월 뒤 장마철과 겹치면 나무가 사라진 산은 속수무책으로 무너질 수

작년 이상고온 103일 '열흘 중 사흘'..."기후위기 실감"

지난해 열흘 중 사흘가량이 '이상고온'이었던 것으로 나타났다. 특히 9월은 절반 이상이 이상고온 상태였다.정부가 1일 공개한 '2024년 이상기후 보고서'

경북산불 연기 200㎞ 이동했다...독도 지나 먼바다까지

경상북도에서 발생한 산불 연기가 강풍을 타고 최초 발화지에서 최소 200㎞ 넘게 떨어진 동해 먼바다까지 퍼졌다.1일 기상청 국가기상위성센터와 대구

경북산불 피해 '눈덩이'...3700여채 불타고 3300명 터전 잃어

경상북도 북부에서 발생한 산불로 주택 3700여채가 불에 타고 주민 3300여명이 귀가하지 못하는 등 산불 피해규모가 갈수록 눈덩이처럼 불어나고 있다.1

벌써 나타난 '빨간집모기'...전국에 '일본뇌염' 주의보

일본뇌염을 옮기는 '작은빨간집모기'(Culex tritaeniorhynchus)가 벌써 나타났다. 이에 질병관리청은 지난 27일 제3급 법정 감염병인 일본뇌염 주의보를 전국

에너지

+

순환경제

+

오피니언

+