포스텍, 급속 충전·고용량 배터리 음극재 개발

국내 연구진이 전기차 배터리의 충전 속도를 획기적으로 단축하면서도
높은 용량을 유지할 수 있는 새로운 음극재를 개발했다.
포스텍은 26일 김원배 화학공학과·배터리공학과 교수 연구팀이
망간(Mn)-철(Fe) 산화물 음극재에 강한 전기적 특성을 가진 불소화 계면층을 적용해
배터리 성능과 안정성을 향상시켰다고 밝혔다.

전기차 시장이 급성장하면서 높은 용량과 안정성을 갖춘 배터리 개발이 필수적이다.
이에 강자성 전환 음극재가 주목받고 있으며,
이는 충·방전 과정에서 금속 산화물이 나노 크기의 강자성 금속으로 변환되며
기존 음극재보다 더 많은 리튬 이온을 저장할 수 있다.

그러나 기존 강자성 전환 음극재는 비가역적 용량 손실, 불안정한 계면 형성,
낮은 전도도 등의 한계를 갖고 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해
갈바닉 치환 반응을 이용해 망간-철 이종 산화물을 합성하고,
폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)로 용액상 코팅을 진행한 후
탄화 과정을 통해 고극성의 불소화 탄소 계면층을 형성했다.

갈바닉 치환 반응은 고체 금속이 다른 금속 이온과 접촉할 때
전자가 이동하여 금속 이온이 대체되는 전기화학 반응을 의미한다.

새로운 음극재는 불소의 강한 전기적 특성을 활용해 표면 극성을 높이고,
더 많은 리튬 이온을 저장할 수 있도록 설계됐다.

또한 강자성 전환 반응을 통해 높은 용량을 구현할 수 있으며,
플루오린화 리튬(LiF)이 풍부한 고체 전해질 계면(SEI)을 형성해
이온과 전자 전달을 촉진하고 내구성을 향상시켰다.

부피 변화로 인한 응력도 효과적으로 완화했다.

실험 결과, 약 3분 이내의 급속 충전 조건에서도 기존 상용 음극재 대비
최소 140% 이상의 성능 향상을 보였으며,
300번의 충·방전 사이클 후에도 92% 이상의 용량 유지율을 기록하는 등 뛰어난 안정성을 확인했다.

김원배 교수는 “이번 연구는 고극성 계면 제어 기술을 통해 고에너지밀도 음극재의 한계를 극복하고 새로운 접근법을 제시한 것”이라며
“전기차 주행거리와 내구성, 충전 속도를 모두 향상시킬 수 있는 중요한 기술적 기반이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈’
최신호의 앞표지 논문으로 게재됐다.

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신혜연 (karung2@sabanamedia.com) 기사제보