고가 코발트 사용 줄이고 성능은 높인 신개념 배터리 개발

2018.08.22 14:09
이미지 확대하기울산과학기술원 연구진이 새롭게 개발한 배터리 전극의 원자구조. UNIST 제공
울산과학기술원 연구진이 새롭게 개발한 배터리 전극의 원자구조. UNIST 제공

충전용 배터리엔 필수적으로 고가의 코발트(CO)가 들어간다. 배터리 가격을 높이는 주요 원인 중 하나로 꼽힌다. 국내 연구진이 배터리에 들어가는 코발트 함량을 20%이상 줄이면서 배터리의 성능은 도리어 큰 폭으로 높일 수 있는 기술을 개발했다.

 

조재필 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 교수 연구진은 중대형 배터리에 적합한 전극 소재를 새롭게 개발했다고 22일 밝혔다.

 

이런 전극은 보통 니켈(N)과 코발트(C), 망간(M)의 합금으로 만들며 머릿글자를 따 ‘NCM’ 계열 전극이라고 부른다. 연구진은 이 중에서 리튬의 함량을 더욱 높인 ‘리튬과잉 전이금속산화물(이하 리튬과잉전극)’에 주목했다.

 

리튬과잉전극은 1g 당 250mAh(밀리암페어) 정도의 전기를 저장할 수 있어 현재 알려진 전극 소재 중에서 가장 효율이 높다. 전기 자동차나 대형 에너지 저장장치(ESS)에 적합한 소재로 꼽히지만 충전과 방전을 계속하면 작동 전압이 급격히 감소하는 단점이 있었다.

 

조 교수팀은 이런 문제를 극복하기 위해 전극 내부의 미세구조를 개선했다. 리튬과잉전극에 필수적으로 들어가는 니켈 금속과 관련이 있다고 보고, 리튬과잉전극 내부의 니켈 함량을 높이고 혼합방법 역시 개선했다. 또 고온에서 합성해 안정도도 더욱 높였다.

 

이렇게 개발한 전극은 충방전을 반복할 때 발생하는 전압강하율이 82% 정도 낮아졌다. 또 현재 대용량 충전식 배터리에에 주요 전극 소재로 사용되는 다른 NCM에 비해 충전용량도 20% 이상 늘어났다. 고가의 코발트 함량도 20% 이상 줄일 수 있고, 대량생산이 손쉬워 가격 경쟁력 역시 높아질 것으로 기대된다.
 
조 교수는 “기존 리튬과잉 전극의 고질적인 문제였던 전압강하를 원자 배열의 무질서화를 통해 효과적으로 개선했다”며 “‘저가형 고에너지 밀도 소재’로서 중대형 ESS에 성공적으로 적용 가능할 것”이라고 말했다.

 

이 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 8월 16일자 온라인판에 게재됐다.

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