고성능 배터리인 하이니켈 배터리의 수명 저하를 유발하는 구조 붕괴 현상을 막을 수 있는 새로운 ‘원자 기둥’ 삽입 기술이 개발됐다. 한국과학기술연구원(KIST)은 에너지저장연구센터 박정진 선임연구원 연구팀이 배터리 수명을 장기간 유지할 수 있는 새로운 하이니켈 양극소재 기술을 개발했다고 밝혔다.
최근 배터리 연구는 더 많은 에너지를 저장하기 위해 니켈 함량을 높이는 방향으로 진행되고 있다. 그러나 니켈 함량이 90%를 넘어서는 하이니켈 양극재는 충·방전을 반복하는 과정에서 내부 구조가 팽창하거나 급격히 수축하며 무너지는 ‘구조 붕괴 현상’이 발생해 수명이 빠르게 감소하는 문제가 있다. 구조적 불안정성은 배터리 내부에 미세 균열을 발생시키고, 결국 배터리 수명을 급격히 단축시켜 고성능 전기차 보급의 걸림돌로 작용해 왔다.
연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 배터리 초기 구동 과정에서 전기화학 반응을 정밀하게 제어해 원자 배열을 재구성하는 기술을 개발했다. 이를 통해 내부 층과 층 사이를 지탱하는 ‘원자 기둥’을 형성해 구조 붕괴를 막는 방식이다.
배터리를 처음 충전할 때 발생하는 전기화학 반응을 활용해 내부 원자들이 스스로 층 사이에 자리 잡도록 유도함으로써, 반복적인 충·방전 과정에서도 내부 구조를 지탱하는 역할을 수행하도록 했다. 실험 결과 해당 기술을 적용한 배터리는 100회 충·방전 이후에도 초기 성능의 92%를 유지해, 기존 고니켈 소재 대비 높은 내구성을 보였다.
특히 이번 기술은 별도의 첨가제나 복잡한 공정 없이도 구조 안정성을 확보할 수 있어, 배터리 제조 공정을 단순화할 수 있다는 점에서 의미가 있다는 설명이다.
박정진 선임연구원은 “배터리 손상의 근본 원인을 원자 수준에서 규명하고, 이를 전기화학적 방법으로 해결했다는 점에서 기술적 의의가 크다”며 “현재 전기차용 배터리 적용을 위한 상용화 가능성을 검토 중이며, 후속 연구를 통해 실제 활용으로 이어가겠다”고 말했다. 이번 연구 결과는 지난해 11월 27일 국제 학술지 네이처 에너지에 게재됐다.
헬로티 이창현 기자 |
