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[헤럴드경제=구본혁 기자] POSTECH(포항공과대학교) 친환경소재대학원·신소재공학과 박규영 교수 연구팀은 삼성SDI, 미국 노스웨스턴대, 중앙대 연구팀과의 공동 연구를 통해 전기차 배터리의 수명과 에너지 밀도를 획기적으로 높일 기술을 개발했다.

전기차 배터리는 충·방전이 반복되면서도 성능을 유지해야 한다. 하지만 현재 기술에는 한 가지 큰 문제가 있다. 충·방전 과정에서 배터리 양극 소재가 팽창과 수축을 반복하면서 내부에 미세한 균열이 생기고, 시간이 지나면서 성능이 급격히 저하되는 것이다. 이를 방지하기 위해 강도를 높이거나 보강재를 추가하는 방식이 연구되고 있지만, 근본적인 해결책이 되기에는 한계가 있었다.

이번 연구의 핵심은 탄성을 가진 구조를 설계할 수 있는 ‘나노 스프링 코팅’ 기술이다. 연구팀은 배터리 양극재 표면에 다중벽 탄소나노튜브로 구성된 코팅을 도입해 충·방전 과정에서 발생하는 변형 에너지를 흡수해 균열을 방지하고, 전극 수준에서도 두께 변화를 최소화해 전극의 안정성을 높였다. 이를 통해 배터리 내부 균열을 효과적으로 억제하고, 수명과 성능을 동시에 개선하는 데 성공했다.

이 기술을 활용하면 소량(0.5wt%, 중량백분율)의 도전재만으로도 소재의 부피 변화로 인한 저항을 최소화할 수 있어 570Wh/kg2)(와트시퍼킬로그램) 이상의 높은 에너지 밀도를 실현할 수 있다. 또한 1000회 이상의 충·방전 후에도 초기 용량의 78%를 유지하며 뛰어난 수명 특성을 보여준다.

나노 스프링 도입에 따른 활물질 균열 복원 과정.[POSTECH 제공]

특히 연구팀의 기술은 기존 배터리 제조 공정과 쉽게 결합할 수 있어 대량 생산과 상용화가 쉽다. 이를 통해 전기차 배터리의 에너지 밀도와 수명 한계를 극복하고, 보다 성능이 뛰어난 전기차 개발에 기여할 것으로 기대된다.

박규영 교수는 “이번 연구는 기존과 다른 접근으로 배터리의 충·방전 과정에서 발생하는 변형을 효과적으로 제어했다”며 “이차전지 산업뿐 아니라 소재의 내구성이 중요한 여러 산업 분야에도 이 기술이 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구성과는 재료 분야 국제 학술지인 ‘ACS 나노(ACS Nano)’ 온라인판에 최근 게재됐다.