전기차의 과제인 충전시간문제와 충방전에 따른 배터리수명 저하 문제가 획기적으로 개선된다. 울산과학기술원의 조재필 SM Lab 연구팀이 양극소재 기술을 개발해서 15분 만에 충전이 가능하게 했고 음극에 흑연을 그대로 사용하면서 양극 소재의 형성과 표면구조를 변화시켜 고속 충전 특성을 획기적으로 개선했다.
1. SM LAB의 단결정 양극 소재 기술로 전기차 고속 충전 15분
전기차 업계는 화재문제 뿐아니라 충전시간 단축과 더 많은 충전소 구축의 문제에 직면해 있다. 배터리 충전시간을 15분으로 줄이는 고속 충전 기술을 2022년 7월 울산과학기술원 (UNIST)의 SM LAB이 개발했다.
울산과학기술원의 교원창업기업 에스엠 랩(SM LAB)이 리튬이온 배터리를 고속 충전할 수 있는 기술을 개발했다. 이 고속 충전 기술은 ‘단결정 양극 소재’기술이다.
최초의 전기차는 163년전인 1873년에 등장했다. 내연기관 자동차보다 앞서 제작됐고 내연기관 자동차가 대중화될 무렵에도 서로 경쟁을 벌였으나 배터리의 성능 및 중량문제 충전 소요시간 등이 부담됐다.
2. 리튬배터리의 수명 문제와 신기술
전기자동차에 사용하는 리튬이온 배터리는 급속 충전을 반복하면 양극과 음극에서 부반응이 일어난다. 이는 배터리의 수명 단축이라는 문제로 이어진다.
급속 충전시 리튬이온은 음극의 흑연 입자 내부로 들어가지 못하고 전해액과 반응해 손실된다. 양극에서도 빠른 속도로 리튬이온이 드나드는 문제가 발생한다.
이런 충전과 방전이 반복되면 부피가 팽창하면서 양극 구조를 붕괴해 리튬이온 출입이 어려워진다. 결국 배터리 셀 온도를 높아지고 이에 따라 전해액과 양극과 음극의 소재 표면에서 분해가 가속화된다. 이것이 수명을 단축시킨다.
이를 해결하는 기술로 이번에 양극 소재의 개선이 제안된 것이다.
3. 양극재 소재에 따른 리튬이온 배터리 분류
LG화학이 주도하는 NCM(니켈-코발트-망간)배터리는 뛰어난 성능이 장점이나 원자재 수급이 어렵다. 망간과 코발트의 단가가 매우 높고 배터리 수명문제도 있다.
삼성 SDI가 주력하는 배터리는 NCA(니켈-코발트-알루미늄)이다. 배터리 성능은 안정적이고 망간을 저렴하고 열효율이 높은 알루미늄으로 대체했으나 여전히 비싼 코발트가 문제이며 충방전 반복시 배터리 수명이 저하된다.
CATL회사는 LFP(리튬-철-인산) 배터리에 주력한다. 가격은 저렴하나 주행거리가 짧고 배터리 수명문제를 해결해야 한다.
4. 리튬 배터리의 단결정 양극 소재 신기술
UNIST의 SM LAB 연구팀은 리튬이온 전지의 고속 충전 특성을 개선할 수 있는 기술을 개발했다. 연구팀은 양극 소재의 형상과 표면구조를 변화시켰다. 이러한 변화만으로도 배터리 수명이 30% 이상 향상됐다.
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연구팀은 흑연 대신 리튬을 사용하거나 흑연과 실리콘을 이용해 충전 시간을 단축하려는 시도를 했다. 배터리 충전 시 리튬이온은 음극의 흑연 구조 속에 있는 빈 공간으로 들어간다.
기존 흑연 음극 소재에서는 리튬이온이 이도속도가 느리지만 리튬금속이나 실리콘은 표면에 리튬이 바로 흡착되어 반응하므로 이동속도가 빨라진다. 리튬이온이 이동하는 속도가 흑연보다 리튬금속이나 실리콘에서 더 빠르기 때문이다.
에스엠 랩에서 개발한 고속 충전 기술은 음극에 흑연을 그대로 사용하면서 ‘양극 소재의 형성과 표면구조를 변화시켜 고속 충전 특성을 획기적으로 개선했다. 이 신기술 단결정 양극 소재는 단가가 높은 코발트 함량을 줄이게 되어 가격경쟁격까지 높였다. 이런 예는 리튬 배터리 역사상 최초이다
이번에 개발한 양극 소재는 니켈 97%, 코발트 2% 미만 함량의 단결정 NCA(M) 소재의 NICoAIMn(니켈 코발트 알루미늄 망간)이다. 기존에 사용되는 고속 충전용 양극 소재는 다결정이고 니켈 함량이 80%, 코발트 함량은 5%이다.
고속충전시 배터리의 수명 개선을 위해 양극 소재의 형상을 단결정으로 만들고 높은 전류가 걸릴 때 발생하는 높은 저항 문제는 망간 원소와 극소량의 첨가제들을 도핑(=투입)해 완전히 극복했다.
“특히 단결정 표면에서 리튬이온이 최대한 많이 이동하도록 특정 결정면 방향으로 향하게 한 부분은 양극의 형상화 표면구조가 고속 충방전 특성에 영향을 미친다는 것을 보여줍니다.”(에스엠 랩 대표 조재필)
에스엠 랩은 자체 운용하는 파우치형 리튬이온 배터리 제조설비를 이용해서 소속충전 평가를 진행했다. 그 결과 15분 동안 충전 90%과 방전 0%를 300회 반복한 뒤에도 수명 특성이 85%까지 유지되었다.
반면에 동일한 소재의 다결정 소재는 225회 충방전을 반복하자 수명 유지율이 40%로 급격히 저하되었다. 이 결과를 통해 다결정 소재에 빠른 속도로 리튬이온이 들어가고 나오면서 다결정의 표면구조 붕괴가 가속화됨을 확인했다.
다결정 구조는 수백 나노미터 크기의 작은 입자가 뭉쳐서 큰 입자 하나를 구성하므로 빠른 속도로 리튬이온이 드나들 때 표면구조가 무너지면서 뭉쳐진 입자도 깨지는 것이다.
이 양극 소재는 현재 고객사 검증을 완료했다. 에스엠 랩의 양산로에서 시범 생산 중이다. 시범 생산되는 샘플은 판매중이고 매출도 발생하고 있다. (참조 etnews)
UNIST SM Lab의 양극소재 신기술이 15분 만에 고속 충전하고 충전 방전에 따르는 배터리 수명 저하도 획기적으로 막는다. 고속충전의 문제인 리튬이온 전지의 수명 저하 해결책이다. 음극에 흑연을 그대로 사용하면서 양극 소재의 형성과 표면구조를 변화시켜 고속 충전 특성을 획기적으로 개선했다.
