질화붕소나노튜브(BNNT) 제조 및 연구기업 내일테크놀로지(대표 김재우)가 나노 신소재를 활용해 전기차 배터리 주요 성능을 끌어올리는 기술개발에 성공했다.
한국원자력연구원은 연구원 창업기업 내일테크놀로지가 BNNT를 활용한 리튬이차전지 전해질 첨가제를 개발했다고 26일 밝혔다.
BNNT는 기존 탄소나노튜브 수준의 열전도, 기계적 특성을 가지면서 섭씨 900도 이상 고온에서 안정적이고 화학적 반응성이 매우 낮은 신소재다. 내일테크놀로지는 독자 개발한 BNNT 제조 기술과 장치를 기반으로 2015년 설립한 연구원 창업기업으로 BNNT 대량 생산기술을 확보한 유일한 기업이다.
배터리의 경우 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성되는데 성능 향상을 위해 다양한 물질이 첨가되고 있다. 대표적 첨가제는 탄소나노튜브로 양극과 음극에는 사용되지만, 전기 전도성이 있어 절연이 필요한 분리막이나 전해질에는 사용할 수 없다.
내일테크놀로지는 전기절연 세라믹 나노소재인 BNNT를 분리막과 전해질에 적용할 수 있다는 점에 주목했다.
BNNT를 전해질에 직접 첨가하는 대신 BNNT 분말을 분리막에 코팅해 전해질 첨가제 역할을 하는 새로운 기술을 개발했다.
이 기술은 배터리 제작공정에도 쉽게 적용할 수 있으며, 배터리 출력, 용량, 충·방전, 안전성 등 주요 성능을 모두 끌어올린 것으로 확인됐다.
실제 리튬이온 속도인 이온전도도는 20% 이상, 이온전달수는 50% 이상 증가했다. 리튬이온 전도도와 전달수가 높을수록 배터리 출력이 커지고 고속으로 충전된다.
배터리 양극 무게당 용량인 비용량(specific capacity) 또한 10% 향상돼 배터리 용량도 증가했다. 500회 고속 충·방전 테스트에서는 배터리 충·방전 시 충전 대비 방전 용량 비율인 쿨롱 효율이 99.6%를 보여 높은 방전 효율을 보였다. 또 BNNT 입자는 실린더 모양의 구조로 돼 있어 열도 밖으로 효율적으로 방출, 분리막 열 수축률을 50% 이상 낮춰 안전성도 높였다.
김재우 대표는 “BNNT가 전해질 첨가제로 배터리 성능 향상에 쓰일 수 있다는 것을 실험적으로 증명한 최초 사례”라며 “앞으로 BNNT를 기존 배터리에 적용할 수 있도록 사업화에 힘쓰고, 리튬이온 전도도와 안전성이 크게 향상된 차세대 전해질도 개발할 예정”이라고 말했다.
한편 이번 개발 결과는 국제학술지 ACS 머티리얼스 레터스 부표지논문으로 선정됐다. 한국에너지공과대학 두석광 교수팀, 충남대 최재학·송우진 교수팀과 공동 연구한 결과다.
대전=이인희 기자 leeih@etnews.com
