전기자동차에 쓰이는 리튬인산철(LFP) 배터리의 최대 약점인 '짧은 주행거리'를 개선할 수 있는 배터리 전극 기술을 국내 연구진이 개발했다.
울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 강석주 교수팀은 숙명여자대학교 주세훈 교수, 광주과학기술원 이은지 교수팀과 함께 전극 내 '활성물질'(활물질) 함량을 99%까지 끌어올린 LFP 배터리 양극을 개발했다고 9일 밝혔다.
LFP 배터리는 화재 위험이 낮고 가격이 저렴하지만, 용량이 작아 1회 충전으로 달릴 수 있는 거리가 짧은 단점이 있다. 전기를 저장하는 LFP 활물질의 전기 전도도가 떨어지는 것이 그 원인 중 하나다. 전도도가 떨어지면 전기가 흐르는 길을 깔아주는 역할을 하는 도전재를 많이 넣어야 한다. 도전재가 많이 들어가는 만큼, 도전재와 활물질 가루를 모아 전극에 고정하는 접착제인 바인더 역시 많이 투입돼야 한다. 따라서 같은 무게의 배터리 팩을 만드는 경우, 도전재와 바인더가 투입되는 만큼 활물질 함량이 줄어들게 되고, 전기 저장량도 감소할 수밖에 없다.
연구팀은 도전재 역할까지 할 수 있는 기능성 바인더 조합을 설계해, 활물질 함량을 99% 수준으로 끌어올린 전극을 만들 수 있었다. 도전재와 바인더(접착제) 역할을 할 수 있는 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 기반으로 하여 폴리에틸렌글리콜과 탄소나노튜브(SWCNT)를 첨가한 조합이다. 폴리에틸렌글리콜은 전도성 고분자 사슬을 정렬하고 접착력을 높이며, 탄소나노튜브는 전기가 흐르는 길을 보강한다.
연구팀이 개발한 이 전극은 상용 LFP 배터리 전극에 비해 도전재 함량을 90% 이상 줄이면서도 우수한 출력을 냈다. 7분 30초 만에 배터리 용량이 모두 방전되는 '8C 고속 방전' 조건에서도 132mAh/g라는 높은 용량을 기록한 것이다. 출력은 급가속 등의 상황에서 빠르게 전기를 뽑아 쓰는 힘으로, 일반적으로 도전재 함량이 줄어들면 출력도 따라서 떨어지게 된다.
또 이번에 개발된 전극은 상용 LFP 음극인 흑연(Graphite)과 결합했을 때도 125mAh/g의 용량을 유지했으며, 실제 배터리 작동 환경과 비슷한 섭씨 60도 고열에서도 안정적으로 작동했다. 단위 면적당 용량도 3.5mAh 이상을 기록했는데, 이는 한정된 공간 속에서 활물질을 최대한 두껍고 밀도있게 채워 주행거리를 늘려야 하는 전기차 배터리에 매우 유리한 특성이다.
연구팀은 이 새로운 전극이 친환경적이고 배터리 제조 단가도 낮출 수 있다고 설명했다. LFP 배터리 전극에 쓰이던 기존 바인더들은 불소계 물질로, 이들 물질을 녹여 전극판에 바르려면 독성 유기용매를 사용해야 한다. 이 독성 물질을 안전하게 처리하기 위해선 비싼 회수 설비가 제조 공장에 필요해, 원가 상승으로 이어질 수밖에 없다. 또 불소 화합물은 최근 전세계적으로 강력한 환경 규제 대상에 오르며 퇴출 압박을 받고 있다.
강석주 UNIST 에너지화학공학과 교수는 "전극에 쓰이는 바인더 조합을 개발해 활물질 비중을 크게 높여 LFP 배터리의 고질적인 용량 문제를 해결했다"며 "불소계 바인더와 독성 용매를 쓰지 않는 공정이 가능해져 제조 경쟁력 측면에서 의미가 있다"고 연구성과를 설명했다.
한국연구재단(NRF), 울산과학기술원(UNIST), 과학기술정보통신부(InnoCORE)의 지원을 받아 수행된 이번 연구 결과는 에너지 소재 분야 국제 학술지 '에너지저장물질(Energy Storage Materials, IF 20.2)'에 지난달 14일 온라인 게재됐다.
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