화재 위험도 거의 없어
전고체전지 열화 매커니즘과 양극 소재 개발 전략 모식도 /한양대학교 제공
선양국 한양대학교 에너지공학과 교수 연구팀이 전고체전지(All-Solid-State Battery)의 성능 저하 원인을 규명하고, 이를 극복할 수 있는 새로운 양극 소재 기술을 개발했다고 21일 한양대학교가 밝혔다.
전고체전지는 고체 전해질을 사용해 발화·폭발, 누액 위험을 원천적으로 차단해 불이 나지 않는 차세대 배터리다.
다만 에너지 밀도를 높이기 위해 니켈 함량이 높은 양극 소재를 사용할 경우, 양극 소재-고체 전해질 계면 손상을 비롯해 미세 균열로 인한 양극 내부 비활성화, 양극 소재와 전해질 간 접촉 저하 등의 문제가 발생한다.
당연히 성능도 급격히 저하된다.
선교수 연구팀은 이러한 문제점을 정량적으로 분석했다.
니켈 함량이 80% 이하일 땐 계면 손상이 주된 원인이었으나, 90% 이상에선 미세 균열과 전해질 접촉 저하가 더욱 심각한 문제로 작용한다는 점을 규명했다.
연구팀은 전고체전지에 최적화된 ‘하이니켈 양극 소재’를 개발해 에너지 밀도와 내구성을 향상시켰다.
코팅을 통해 양극-전해질 계면 안정성 강화하는 한편, 막대형 1차 입자의 방사형 배열 구조를 적용하는 방식으로 이를 적용했다.
이에 따라 전기차에 적용할 경우 한 번 충전으로 800㎞ 이상 주행이 가능하고 화재 위험이 거의 없을 것으로 예상된다.
즉, 안전성이 더욱 강화된 배터리 구현이 가능해진 것이다.
실제로 해당 기술을 적용한 전고체전지는 저압 구동 조건에서도 높은 에너지 밀도와 안정적인 수명 특성을 보였다. 실제 상업화에 필요한 조건에서 기존 전고체전지 대비 에너지 밀도와 내구성이 크게 향상된 것으로 나타났다.
선양국 한양대학교 에너지공학과 교수/한양대학교 제공
선 교수는 “이번 연구를 통해 전고체전지의 성능 저하 요인을 정량적으로 분석하고, 이를 극복할 핵심 기술을 개발했다”며 “앞으로 우리나라가 차세대 배터리 시장에서 글로벌 경쟁력을 확보할 수 있도록 연구를 지속할 것”이라고 말했다.
한편 연구 결과는 지난 20일 세계 최고 권위의 에너지 분야 학술지인 ‘네이처 에너지’(Nature Energy)에 게재됐다. 이번 연구는 산업통상자원부 한국에너지기술평가원의 에너지인력양성사업 지원을 받아 수행됐으며, 네이처에 게재된 논문은 박남영 박사와 이한욱 석사가 제1 저자로, 선 교수가 교신저자로 참여했다.
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