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포항공과대학교(POSTECH) 친환경소재대학원·신소재공학과 박규영 교수팀이 나노 스프링으로 리륨이온 배터리의 수명과 에너지 밀도를 높였다고 5일 밝혔다. 배터리 양극재 표면을 탄소나노튜브와 나노 크기의 스프링으로 코팅해 배터리 내부 균열을 막음으로써 더 오래 사용할 수 있게 된 것이다.

이를 배터리에 적용해 테스트한 결과, 배터리 전체 무게의 0.5%에 불과한 도전재를 양극재 안에 넣고도 배터리 1㎏당 570Wh 이상의 에너지 밀도를 나타냈다. 또한 1000번 이상 충방전 후에도 초기 용량의 78% 이상을 유지했다. 보통 사용하고 있는 배터리는 도전재가 전체 무게의 2~5% 정도 들어가며, 에너지 밀도도 1㎏당 200~300Wh 수준이다.

박규영 교수팀은 삼성SDI, 미국 노스웨스턴대, 중앙대 연구팀과의 공동 연구를 통해 개발한 이 기술을 재료 분야 국제 학술지인 'ACS 나노(ACS Nano)'에 발표했다.

전기차 배터리는 충·방전이 반복되면서도 성능을 유지해야 한다. 하지만 배터리 충·방전때 내부 양극 소재가 팽창과 수축을 반복하면서 내부에 미세한 균열이 생긴다. 시간이 지나면서 성능이 급격히 저하되는 것이다. 이를 방지하기 위해 강도를 높이거나 보강재를 추가하는 방식이 연구되고 있지만, 근본적인 해결책이 되기에는 한계가 있었다.

연구진은 이를 해결하기 위해 '나노 스프링 코팅' 기술로 탄성을 가진 구조 설계에 집중했다. 배터리 양극재 표면을 나노 스프링이 섞인 다중벽 탄소나노튜브로 코팅했다. 이로 인해 충·방전 과정에서 발생하는 변형 에너지를 흡수해 균열을 방지하고, 전극 수준에서도 두께 변화를 최소화해 전극의 안정성을 높였다.

박규영 교수는 "이 기술이 기존 배터리 제조 공정과 쉽게 결합할 수 있어 대량 생산과 상용화가 쉽다"고 설명했다. 그러면서 "이차전지 산업 뿐만아니라 소재의 내구성이 중요한 여러 산업 분야에도 이 기술이 폭넓게 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.