화학뉴스

국내 연구진이 하이니켈 양극재 장수명화에 기여하는 탄소 캡슐화 기술을 개발했다.
안희준 한양대학교 유기나노공학과 교수와 임희대 화학공학과 교수 공동연구팀은 하이니켈 NCM(니켈·코발트·망간) 양극재의 출력과 수명 안정성을 동시에 개선할 수 있는 탄소 캡슐화 기술 개발에 성공했다.
LiB(리튬이온전지)는 최근 전기자동차(EV) 수요가 증가하면서 시장에서 요구하는 고용량·고출력 스펙을 충족하기 위해 니켈 함량 80% 이상인 하이니켈 양극재 개발이 진행되고 있으나 수명 안정성 문제로 상용화에 어려움을 겪고 있다.
아울러 고용량 배터리 설계를 위한 고밀도 후박 전극 설계는 전극의 저항이 증가해 출력 특성이 저하되는 문제가 있다. 
특히, 하이니켈 NCM 양극재는 수분 및 환원 조건에 취약해 탄소 캡슐화 기술 적용이 상당히 어려운 것으로 알려졌다.
이에 연구팀은 에탄올(Ethanol)에 분산된 그래핀(Graphene)과 CNT(Carbon Nano Tube) 베이스 탄소 슬러리를 개발해 상온에서 마찰열로 용매를 증발시켜 탄소 캡슐화하는 코팅 공법을 개발했다.
신공법은 0.15%의 낮은 탄소 함량으로도 양극재를 얇고 균일하게 캡슐화할 수 있고 적용된 탄소 캡슐층은 그래핀층 사이에 CNT가 삽입된 3차원 형태 탄소 구조체로 구성돼 양극재 표면에 전자와 이온을 원활하게 수송할 수 있으며 양극재의 표면열화를 유발하는 불화수소를 비활성화하는 첨가제들을 탄소 캡슐층에 첨가해 캡슐층의 표면 보호 효과를 극대화한 것으로 평가된다.
탄소 캡슐화된 NCM 양극재는 전기전도도와 이온전도도가 개선돼 충·방전 속도가 12분 이내로 빨라졌으며 반응 중 표면 구조열화 및 부산물층 형성이 억제돼 섭씨 45도 고온 조건에서 기존 NCM 양극재 대비 약 3배의 향상된 수명 안정성을 나타냈다.
탄소 캡슐화 기술은 도전재 함량을 낮추어 고밀도 전극 설계에 적용 가능하며 후막 전극을 제조하는 건식 전극 공정에서도 전기전도도와 이온전도도 개선을 위해 적극 활용될 것으로 기대된다.
안희준 교수는 “탄소 캡슐화 기술은 배터리 활물질에서 필수적인 전기전도도와 이온전도도 개선 및 표면부반응 억제 효과를 제공한다”며 “양극재뿐만 아니라 모든 전극 소재에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 강조했다. (윤)