수 밀리초 빛 한 번으로 전고체 배터리 수명 크게 늘려

김영범 한양대 기계공학부 교수, 김선민 석박사통합과정. 한국연구재단 제공

1000분의 수 초에 불과한 짧은 빛 처리만으로 전고체 배터리의 핵심 소재인 고니켈 양극의 안정성을 크게 높이는 기술이 개발됐다. 

한국연구재단은 김영범 한양대 기계공학부 교수 연구팀이 강한 빛을 이용한 초고속 열처리 공정으로 전고체 배터리용 고니켈 양극 소재의 성능 저하 문제를 해결하는 기술을 개발했다고 1일 밝혔다. 연구 결과는 재료공학 분야 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈'에 지난달 8일 게재됐다.

전고체전지는 화재 위험이 있는 액체 전해질을 고체로 바꿔 안전성을 높인 차세대 배터리다. 에너지 저장 용량을 키우려면 니켈 함량이 높은 양극재가 필수지만 충방전을 반복하면 양극 구조가 무너지거나 고체 전해질과 반응해 성능이 급격히 떨어진다. 성능 저하를 막기 위해 양극 표면에 보호막을 입히는 코팅 기술이 쓰이지만 별도의 재료와 긴 공정 시간이 필요해 대량 생산이 어렵다.

연구팀은 제논 램프에서 나오는 강한 빛을 1000분의 수 초 동안 쏘는 '광소결' 공정을 도입했다. 제논 램프는 카메라 플래시에도 쓰이는 장치로 매우 강하고 밝은 빛을 순간적으로 낸다. 제논 램프의 빛을 양극 소재에 쏘면 표면만 약 900℃ 이상으로 순간 가열되는 반면 내부는 63℃ 수준에 머물러 내부 구조는 그대로 유지하면서 표면에만 약 5~6나노미터(nm, 10억분의 1미터) 두께의 보호층이 저절로 만들어진다.

보호층은 두 가지 역할을 동시에 한다. 양극과 고체 전해질이 직접 닿아 원치 않는 화학 반응을 일으키는 것을 막는 방패 역할과 충방전 과정에서 양극 구조가 무너지지 않도록 받쳐주는 지지대 역할이다. 별도의 코팅 재료 없이 양극 소재 자체에서 보호층이 만들어지기 때문에 공정이 단순하고 대량 생산에도 유리하다.

성능 평가 결과 효과는 뚜렷했다. 기존 양극 소재는 100회 충방전 후 처음 저장 용량의 55%만 남았지만 광소결 처리를 거친 소재는 81%를 유지했다. 배터리에 더 큰 부하를 거는 고전압 조건에서도 기존 소재가 40%에 그친 반면 처리 소재는 78%를 기록해 약 두 배 가까운 안정성을 보였다.

김영범 교수는 "양극과 전해질이 맞닿는 면의 안정성과 구조 붕괴 문제를 동시에 해결한 기술"이라며 "짧은 빛 처리만으로 고성능 배터리 소재를 만들 수 있는 새로운 제조 방식을 제시했다"고 말했다.

<참고> 
doi.org/10.1002/adfm.202531

[임정우 기자 jjwl@donga.com]