저렴하고 고속 충·방전이 가능한 세라믹 양극재 양산 기술 개발

- 저가형 세라믹 강유전체 소재와 리튬이온전지용 양극재로 복합체 제조
- 대량생산 가능한 공정기술까지 개발

국내 연구진에 의해 리튬이온전지의 고속 충·방전이 가능한 저가형 세라믹 소재 기반 양극재 양산 공정 기술이 개발되었다.

  한국세라믹기술원(원장 정연길)은 나노복합소재센터 최문희·지상수 박사와 서지혜·김현태 연구원이 저가형 세라믹 강유전체 소재인 바륨티타네이트(BaTiO₃, 이하 BTO)와 리튬이온전지의 대표적 양극재인 리튬코발트옥사이드(LiCoO₂, 이하 LCO)와의 복합체 제조를 통해 고속으로 충·방전이 가능한 원천 복합 소재 및 대량생산 기술을 개발했다고 지난달 6일 밝혔다.

  LCO는 리튬이온전지 양극재로 가장 널리 활용되는 소재이며, 충전 과정에서 음극에 리튬이온을 제공하고 방전과정에서 다시 음극으로부터 리튬이온을 되돌려 받는 역할을 한다. 하지만, 고속으로 충·방전하는 과정에서 LCO의 구조적 불안정성이 높아짐에 따라 이론 용량의 약 절반 수준으로만 사용하고 있다.

  이를 해결하기 위해 연구팀은 LCO 표면에 고분자 표면 처리기술로 균일하게 BTO를 코팅한 뒤 열처리하여 LCO/BTO 복합 양극재를 제조하였다. 그 결과, 평균적인 충·방전 조건인 1C(1A의 전류로 1시간 동안 충·방전)에서 기존 LCO 대비 용량이 약 25% 향상되었으며, 1C 보다 충·방전 속도가 10배 빠른 10C 조건에서는 기존보다 용량이 약 400% 향상된 결과를 보였다.

  코팅된 BTO의 강유전체 특성이 충·방전 과정에서 리튬이온 움직임을 원활하게 해줌으로써 충·방전 속도를 높여도 용량을 유지할 수 있는 구조적 안정성을 확보한 것이다. 또한, 연구팀은 LCO/BTO 복합 양극재를 소규모 공정이 아닌 양산할 수 있는 공정 기술까지 개발하여 대량생산도 가능하다.

  한국세라믹기술원 최문희 박사는 “복합 양극재를 활용해 LCO의 고질적인 고속 충·방전 안정성 문제를 해결했다”며 “가격이 저렴한 세라믹 강유전체 소재를 활용한 양산 기술로써 웨어러블 디바이스용 산화물계 전고체전지 뿐만 아니라 폐배터리부터 제조된 저품위 양극재의 품질을 개선시킬 수 있는 기술”이라고 말했다.

한국세라믹기술원 지상수 박사는 “복합 양극재 양산공정 기술을 활용해 향후 소형 산화물 전고체, 非리튬계 차세대 이차전지 등에 활용될 수 있어 파급효과가 큰 기술”이라고 밝혔다.
  이번 연구는 산업통상자원부의 ‘기판실장용 산화물계 초소형 적층 전고체전지(MLCB) 개발 사업’의 지원을 받아 추진되었으며, 관련 특허를 출원하였고 LCO외 다른 양극재 및 음극재에도 적용하는 후속 연구를 추진중이다.

그림 1. LCO/BTO 복합 양극재 공정 모식도

그림 2. LCO/BTO 복합 양극재의 주사전자현미경 이미지 및 LCO(검은색), LCO/BTO 복합 양극재(파란색)의 율속 변화에 따른 충방전 특성 비교 결과

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