POSTECH, 내구성 및 주행거리 두 배 늘리는 토토 롤링 디시 개발

POSTECH연구팀이 전기차 토토 롤링 디시의 주요 단점인충·방전 시 내구성 문제를 해결하는 기술을 개발했다. 토토 롤링 디시 내부에 '나노 스프링' 구조를 도입,충·방전 가능 횟수를 두 배로 늘릴 수 있게 했다. 해당 구조를 바탕으로 하면 주행거리 역시 두 배 가까이 늘어날 것으로 보인다.

POSTECH 친환경소재대학원·신소재공학과 박규영 교수 연구팀은 삼성SDI, 미국 노스웨스턴대, 중앙대와 공동 연구를 통해 토토 롤링 디시의 수명과 에너지 밀도를 획기적으로 개선하는 '나노 스프링 코팅' 기술을 개발했다고 5일 밝혔다.

기존 전기차 토토 롤링 디시는 충전과 방전이 반복될 때마다 양극 소재가 팽창과 수축을 반복했다. 이 과정에서 내부에 미세한 균열이 생기고, 이 균열이 누적되면서 토토 롤링 디시 성능이 저하됐다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 토토 롤링 디시 양극재 표면에 머리카락 굵기의 약 10만분의 1 크기인 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)로 코팅층을 만들었다. 이 나노 크기의 코팅은 실생활에서 볼 수 있는 스프링처럼 탄성을 지녔다. 토토 롤링 디시가 충·방전될 때 발생하는 압력을 흡수하고 다시 원래 상태로 돌아가는 능력이 있다. 토토 롤링 디시 내부에도 충격을 견딜 수 있는 탄성 구조를 도입한 것이다. 또한 전극 수준에서도 두께 변화를 최소화해 전극의 안정성을 높였다. 이를 통해 토토 롤링 디시 내부 균열을 효과적으로 억제하고, 수명과 성능을 동시에 개선할 수 있었다.

이 기술은 중량 기준으로 단 0.5%의 도전재(전기가 흐르게 하는 물질)만으로도 토토 롤링 디시 내부의 저항을 최소화할 수 있어 570Wh/kg의 에너지 밀도를 실현했다. 이는 현재 시판 중인 전기차 토토 롤링 디시(250~300Wh/kg)보다 약 2배 높은 수준이다. 만약 실용화되는 데 성공한다면, 같은 크기의 토토 롤링 디시로 2배 가까이 주행거리를 늘릴 수 있는 셈이다.

또한 일반적인 토토 롤링 디시가 500회 충전 후 성능이 크게 저하되는 반면, 이 기술이 적용된 토토 롤링 디시는 1000회 이상의 충·방전 후에도 초기 용량의 78%를 유지했다. 이는 전기차의 실질적인 수명을 연장할 수 있음을 의미한다.

연구팀은 새로운 기술이 기존 토토 롤링 디시 제조 공정에 큰 변화 없이 적용할 수 있어 상용화 가능성도 높다고 내다봤다. 일종의 '코팅' 과정만 추가하면 되기 때문에 대량 생산이 용이하다는 것이다. 이를 통해 전기차의 주행거리와 토토 롤링 디시 수명이라는 두 가지 핵심 과제를 동시에 해결할 수 있을 것으로 전망된다.

박규영 POSTECH 교수는 "이번 연구는 기존과 다른 접근으로 토토 롤링 디시의 충·방전 과정에서 발생하는 변형을 효과적으로 제어했다"며 "이차전지 산업뿐 아니라 소재의 내구성이 중요한 여러 산업 분야에도 이 기술이 폭넓게 활용될 수 있을 것"이라고 말했다.

이 연구 성과는 재료 분야 국제 학술지 'ACS 나노(ACS Nano)' 온라인판에 지난 1월 3일게재됐다.

육지훈 기자editor@popsci.co.kr