획기적인 나노 스프링 기술로 배터리 내구성과 에너지 밀도 향상

POSTECH 재료공학과 철강·친환경소재기술연구소 박규영 교수가 이끄는 연구팀은 삼성SDI, 노스웨스턴대, 중앙대 연구팀과 공동으로 전기자동차(EV) 배터리의 수명과 에너지 밀도를 획기적으로 높이는 기술을 개발했다. 이 연구는 최근 재료 분야의 국제 학술지인 ACS Nano 온라인에 게재됐습니다.

전기 자동차 배터리는 충전과 방전을 반복하면서도 성능을 유지해야 합니다.

하지만 현재의 기술에는 하나의 큰 문제가 있습니다. 충전과 방전 과정에서 배터리의 양극 활성 물질이 반복적으로 팽창하고 수축하여 내부에 미세한 균열이 발생한다는 것입니다.

시간이 지날수록 배터리 성능은 급격히 저하됩니다.

이를 방지하기 위해 연구자들은 양극 활성 물질의 강도를 증가시키거나 보강용 도펀트를 추가하는 등의 방법을 시도하고 있지만, 이는 근본적인 해결책이 되지 못했습니다.

이번 연구의 핵심은 탄성 구조를 설계할 수 있는 '나노-스프링 코팅' 기술입니다.

연구팀은 배터리 전극 소재 표면에 다중벽 탄소 나노튜브(MWCNT)를 구현했습니다.

충전 및 방전 과정에서 발생하는 변형 에너지를 흡수하여 균열을 방지하고 전극의 두께 변화를 최소화하여 안정성을 향상시킵니다.

연구팀은 배터리 내부의 균열을 성공적이고 효과적으로 억제하고 동시에 배터리의 수명과 성능을 개선했습니다.

이 기술을 사용하면 소량(0.5wt%, 중량 백분율)의 전도성 소재만으로도 소재의 부피 변화로 인한 저항을 최소화할 수 있습니다.

570Wh/kg 이상의 높은 에너지 밀도를 실현할 수 있습니다. 또한 1,000회 이상의 충전 및 방전 사이클 이후에도 초기 배터리 용량의 78%를 유지하여 뛰어난 수명을 보여줍니다.

특히 이 기술은 기존 배터리 제조 공정과 쉽게 결합할 수 있어 대량 생산 및 상용화가 용이합니다.

이러한 개발을 통해 현재 배터리 기술의 한계를 극복하고 더욱 효율적이고 내구성 있는 EV 배터리를 개발할 수 있는 길이 열릴 것으로 기대됩니다.

이는 기존 자동차보다 우수한 전기 자동차의 개발에 기여할 수 있습니다.

포스텍 박규영 교수는 "기존의 접근 방식과는 다른 접근 방식으로, 이 연구는 충전 및 방전 과정에서 배터리에 발생할 수 있는 변화를 효과적으로 제어했다"며 "이 기술은 2차 전지 산업뿐만 아니라 재료 내구성이 중요한 다양한 산업에서 널리 활용될 수 있다"고 말했습니다.

본 연구는 삼성SDI, 산업통상자원부, 과학기술정보통신부 기초연구비의 지원을 받아 수행되었습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250313130813.htm