전기차 배터리 수명 5배 늘린다

포스텍·중앙대, 저렴한 배터리 양극재 기술 개발

전기차 배터리를 충전하는 모습./Pixabay

국내 연구진이 전기자동차에 들어가는 리튬이온배터리의 수명을 획기적으로 늘릴 기술을 개발했다.

조창신 포스텍 배터리공학과·화학공학과 교수와 윤성훈 중앙대 융합공학부 교수 연구진은 배터리 수명을 5배 이상 늘리는 양극재 기술을 개발했다고 5일 밝혔다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘머티리얼즈 투데이(Materials Today)’에 지난 7월 3일 게재됐다.

전기차의 배터리는 음극의 리튬 이온이 양극으로 이동하면서 전류를 발생한다. 전기차가 보편화되면서 배터리의 ‘지구력’이 중요해졌다. 한 번 충전으로 더 멀리 가고, 몇 년이 지나도 튼튼한 배터리가 필요하지만 기존 배터리 소재는 수명에 한계가 있었다.

특히 비싼 코발트를 줄이고, 니켈 함량을 높인 ‘고니켈 무코발트 양극재’는 가격 면에서는 유리하지만 오래 쓰기에는 어려웠다.

연구진은 배터리 수명이 짧아지는 근본적인 원인에 주목했다. 배터리는 충전과 방전을 반복할수록 안쪽 구조가 조금씩 무너진다. 배터리 내부 원자들이 배열된 구조가 틀어지면서 작은 균열이 생기고, 결국은 전체 구조가 손상되는 것이다. 이런 변형은 ‘c-축 격자 왜곡(c-lattice distortion)’이라고 불리는 현상으로, 수명 저하의 주범이다.

이번 연구에서 연구진은 유기 계면활성제를 활용한 새로운 합성법을 개발했다. 핵심은 지르코늄 이온이 양극재의 가장 작은 입자 내부까지 고르게 퍼지게 하는 것이다. 비누 성분인 계면활성제는 액체의 표면장력을 줄여 물과 기름처럼 서로 섞이지 않는 성분들을 고르게 섞어준다. 또 열처리 과정에서는 지르코늄을 입자 속에 단단히 고정하는 역할까지 한다.

연구진은 새 합성법을 적용했더니 양극재가 마치 건물에 철골 구조를 세운 것처럼 튼튼해졌다고 밝혔다. 지르코늄 이온이 배터리 결정 구조 안에서 일종의 기둥이 돼 충·방전을 반복해도 쉽게 무너지지 않도록 지탱한다는 것이다. 배터리는 100번의 충·방전 후에도 98.6%의 용량을 유지했고, 500번을 반복해도 94.2%의 성능을 보였다. 수명은 기존의 고니켈 무코발트 소재보다 5배 이상 길어졌다.

조창신 교수는 “이번 기술은 고가의 코발트를 사용하지 않으면서도 안정적으로 작동하는 차세대 양극재 개발에 새로운 방향을 제시한다”며 “국산 전기차 배터리 소재의 경쟁력을 높이는 데 도움이 될 것”이라고 설명했다.

참고 자료

Materials Today(2025), DOI: https://doi.org/10.1016/j.mattod.2025.06.042

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