UNIST 등, 전기차 주행거리는 늘리는 LFP 배터리 양극 개발

- 활성 물질 함량 99%의 고출력 LFP 전극 개발

- 비불소계 전도성 바인더 조합으로 비활성물질 함량 낮춰

연구진사진. 좌측부터 강석주 교수, 노은환 연구원. (자료제공: UNIST)

활성물질 함량 99%인 LFP 전극의 구조와 성능. (자료제공: UNIST)

가격 경쟁력을 앞세워 전기차 시장을 빠르게 점유해 나가고 있는 LFP 배터리의 최대 약점인 ‘짧은 주행거리’를 개선할 수 있는 전극이 개발됐다. 

UNIST(총장 박종래)는 에너지화학공학과 강석주 교수팀이 숙명여자대학교 주세훈 교수, 광주과학기술원 이은지 교수팀과 함께 전극 내 ‘활성물질’(활물질) 함량을 99%까지 끌어올린 LFP 배터리 양극을 개발했다고 3월 9일 밝혔다.

LFP 배터리는 화재위험이 낮고 가격이 저렴한 배터리지만, 용량이 작아 한 번 충전으로 달릴 수 있는 거리가 짧다. 전기를 실제 저장하는 LFP 활물질의 전기전도도가 떨어지는 것이 그 원인 중 하나다. 

전도도가 떨어지니 전기가 흐르는 길을 깔아주는 역할의 도전재를 많이 넣어야 하고, 도전재와 활물질 가루들을 모아 전극에 고정해 주는 바인더 역시 그만큼 많이 투입돼야 했다. 활물질 함량이 떨어져 결국 같은 무게의 배터리팩을 만들면 전기 저장량이 줄어들 수밖에 없다.

연구팀은 도전재 역할을 함께할 수 있는 기능성 바인더 조합을 설계해 비활성 물질 함량을 1% 수준으로 낮춘 전극을 개발할 수 있었다. 도전재와 접착제 역할을 할 수 있는 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 기반으로 폴리에틸렌글리콜과 탄소나노튜브(SWCNT)를 첨가한 조합이다. 폴리에틸렌글리콜은 전도성 고분자 사슬을 정렬하고 접착력을 높여주며, 탄소나노튜브는 전기가 흐르는 길을 보강해 주는 역할이다.

이 전극은 도전재 함량을 상용 LFP 전극에 비해 90% 이상 줄였음에도 불구하고 우수한 출력 성능을 보였다. 7.5분 만에 전체 배터리 용량을 모두 방전 수준의 8C 고속 방전 조건에서도 132mAh/g의 높은 용량을 기록한 것이다. 출력은 급가속과 같은 상황에서 빠르게 전기를 뽑아 쓰는 힘인데, 도전재 함량이 줄어들면 출력이 떨어지는 것이 일반적이다. 

또 상용 음극인 흑연과 결합했을 때도 125mAh/g의 용량을 유지했으며, 배터리 작동 환경과 유사한 섭씨 60도의 고열에서 안정적으로 작동했다. 단위 면적당 용량도 3.5 mAh 이상을 기록했는데, 이는 한정된 공간 안에 활물질을 최대한 두껍고 밀도 있게 꽉 채워 주행거리를 늘려야 하는 전기차 배터리에 매우 유리한 특성이다.

개발된 전극은 친환경적이고 배터리 제조 단가도 낮출 수 있다. 전극에 쓰는 기존 바인더들은 불소계 물질인데, 이를 녹여 전극판에 바르려면 독성 유기용매를 써야 한다. 독성 물질을 안전하게 처리하기 위해는 공장에 비싼 회수 설비가 들어가고 이는 고스란히 제조 원가 상승으로 이어진다. 게다가 불소 화합물은 최근 전 세계적으로 강력한 환경 규제 대상에 오르며 퇴출 압박을 받고 있는 물질이다. 

강석주 교수는 “전극에 쓰이는 바인더 조합을 개발해 활물질 비중을 크게 높여 LFP 배터리의 고질적인 용량 문제를 해결했다”며 “불소계 바인더와 독성 용매를 쓰지 않는 공정이 가능해 제조 경쟁력 측면에서도 의미가 있다”고 설명했다.

이번 연구는 한국연구재단(NRF), 울산과학기술원(UNIST), 과학기술정보통신부(InnoCORE)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 에너지 소재 분야의 세계적인 학술지인 ‘에너지저장물질(Energy Storage Materials)’에 2월 14일 온라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]