전기차 단결정 소재 합성기술 개발···공정 비용 줄인다

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 전기자동차 주행거리를 30% 이상 늘리는 데 필요한 소재를 더 싸고, 효율적으로 만들 수 있는 기술을 개발했다. 아직 실험실 연구 단계이나 개발한 방법을 고도화하면 앞으로 4년 이후 대량생산을 통해 전기차 생산 비용을 줄일 수 있을 전망이다.

울산과학기술원(UNIST)은 조재필 에너지화학공학과 특훈교수팀과 쥐 리 미국 MIT 교수팀이 완전한 형태의 단결정 입자를 만들 수 있는 원천기술을 개발했다고 31일 밝혔다.

이번 연구를 진행한 연구진의 모습.(왼쪽부터)윤문수 연구원, 조재필 교수.(사진=울산과학기술원)

대용량 배터리 양극소재로 꼽히는 니켈리치 양극 소재들은 고용량 발현이 가능하다. 하지만 충·방전이 반복되면서 입자 내부에 미세 균열이 생기고, 배터리 전해액과 반응해 수명이 급격히 준다. 현재 상용화된 양극소재들은 수백나노미터 수준의 입자들이 뭉쳐진 ‘다결정 형태’이기 때문이다.

다결정 소재는 배터리를 제조할 때 쉽게 부서지고, 배터리 속에서 필요하지 않은 반응을 촉진한다. 이때 가스가 발생하고, 충·방전 주기에도 영향을 줘 수명이 감소한다. ‘단결정 형태’로 양극재를 만들면 이런 문제들을 해결할 수 있지만 다결정 소재 대비 30% 이상 가공비가 높다.

전기차 한 대에서 양극재의 가격 비중은 15% 정도이고, 이중 가공비가 차치하는 비율은 2.25% 정도다. 금속 가격은 국제 시세에 따라 결정되기 때문에 가격 경쟁력에서 우위를 점하려면 가공비를 최대로 낮춰야 한다.

연구팀은 리튬질산염, 리튬수산염과 다결정 전이금속 전구체를 일정한 비율로 합쳤다. 이를 공·자전 혼합기를 활용해 분당 2000회의 속도로 12분 동안 섞었다. 접촉 과정에서 발생하는 열로 녹은 분말들이 다결정입자들의 경계면에 침투하면서 액화 리튬염·전이금속 나노입자 복합체를 만들었다. 개발한 기술은 니켈리치 양극뿐만 아니라 리튬·망간 리치 양극소재에도 적용할 수 있다.

연구팀이 일반 공정으로 합성한 다결정 소재와 같은 조성의 단결정 양극소재를 리튬 메탈전지에서 평가한 결과, 단결정 양극소재는 200회 충·방전 후에도 기존 용량의 92%에 준하는 성능을 보였다. 같은 조성의 다결정 소재 대비 약 12% 높은 수명 유지율을 보였다. 가스 발생량과 저항 증가율도 30% 이상 개선할 수 있는 것으로 나타났다.

조재필 에너지화학공학과 특훈교수는 “니켈리치계 단결정 양극소재들은 여러 번 가열해야 하기 때문에 생산비용이 올라간다”며 “새로 개발한 합성법을 적용한 양극재로 대량 합성공정을 개발하면 기존 보다 30% 이상 비용을 줄일 수 있을 것”이라고 했다.

연구 결과는 에너지분야 국제 학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 지난 30일 게재됐다.