SMLAB 조재필 대표. UNIST 제공전기자동차(EV) 배터리를 15분 만에 충전할 '양극 소재' 기술이 나왔다. 기존 음극 소재를 그대로 쓰면서 고속충전에 따른 수명 저하도 줄일 수 있다.
UNIST(울산과학기술원) 교원창업기업인 SMLAB(에스엠랩)은 '단결정 양극 소재' 기술을 개발했다고 14일 밝혔다.
양극 소재의 형상과 표면구조를 변화시키는 것만으로도 수명 특성이 30% 이상 향상됐다.
이 소재는 현재 고객사 검증을 완료됐으며 SMLAB이 시범 생산 중이다.
전기차에 사용 중인 리튬이온 배터리에 급속 충전을 반복하면 수명이 저하된다.
급속 충전 시 리튬이온이 음극의 흑연 입자 내부로 들어가지 못하고 전해액과 반응해 손실되는 것이다.
양극에서도 빠른 속도로 리튬이온이 드나들게 된다.
이런 충‧방전이 반복되면 부피가 팽창하면서 양극 구조를 붕괴해 리튬이온 출입을 어렵게 만든다.
SMLAB이 이번에 개발한 고속충전 기술은 음극에 흑연을 그대로 사용하면서 양극 소재의 형성과 표면구조를 변화시켜 고속충전 특성을 획기적으로 개선했다.
이번에 개발한 양극 소재는 니켈(Ni) 97%, 코발트(Co) 2% 미만 함량의 단결정 NCA(M) 소재(NiCoAlMn)다.
조재필 SMLAB 대표는 "기존에 사용되는 고속충전용 양극 소재는 다결정이고 니켈 함량이 80% 정도에 비싼 코발트 함량이 5% 이상이다"고 말했다.
이어 "니켈 함량을 97%까지 높이고 코발트 함량은 2% 미만으로 줄여 가격경쟁력을 높인 단결정 양극 소재는 이번에 처음으로 보고된 것"이라고 했다.
단결정 소재와 다결정 소재의 압연 시 비교. UNIST 제공SMLAB은 자체 운용 중인 파우치형 리튬이온 배터리 제조설비를 이용해 고속충전 평가를 진행했다.
양극은 187Wh/kg의 에너지 밀도를 가지는 1Ah 셀로 단위면적당 용량 4.07mAh/㎠, 25℃ 조건을 주고 음극에는 흑연만 사용했다.
그 결과 15분 동안 충전(90%)과 방전(0%)을 300회 반복한 뒤에도 수명 특성이 85%까지 유지됐다.
반면 동일한 조성의 다결정 소재는 225회 충‧방전 반복 시 수명 유지율이 40%로 급격히 저하됐다.
이 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.
조재필 대표는 "고속충전 시 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"고 설명했다.
한편, SMLAB은 지난 2018년 7월 UNIST 에너지화학공학과 조재필 특훈교수가 창업했다.
니켈 함량 80% 이상의 NCM(A)과 NCA를 수세 공정 없이 단결정 형태로 양산하는 기술을 보유하고 있다.