미국 에너지부(Department of Energy, DOE) 산하 오크리지국립연구소(Oak Ridge National Laboratory, ORNL) 연구진이 주행거리는 길게 유지하면서도 단 10분 만에 전기차(EV) 배터리를 80%까지 충전할 수 있는 새로운 형태의 전류 집전체(current collector)를 개발했다.
전류 집전체는 배터리 전극에서 외부 회로로 전기를 전달하는 얇은 도전층이다. 기존에는 구리(Cu)나 알루미늄(Al) 호일을 사용하며, 이는 상당한 무게와 비용을 초래한다.
ORNL 연구팀은 소테리아 배터리 이노베이션 그룹(Soteria Battery Innovation Group)과 협력해, 대부분의 금속을 대체하는 금속화 폴리머 집전체를 개발했다. 이는 얇은 폴리머 필름 표면에 매우 얇은 구리 또는 알루미늄층을 코팅한 구조다.
이 설계로 전류 집전체 무게는 기존 금속 박 대비 약 73% 줄었으며, 구리 사용량은 약 85% 감소해 핵심 소재 공급망 부담을 완화할 수 있다. 이러한 개선을 통해 전극 수준에서 6C 조건(10분 충전)에서 280 Wh kg⁻¹의 에너지 밀도를 달성했다.
연구진은 전기차 배터리에서 차량으로 전기를 전달하는 새로운 유형의 더 가볍고 저렴한 집전체를 개발했다.
이 집전체는 장거리 주행과 초고속 충전을 모두 가능하게 한다.
[사진=Andy Sproles/오크리지국립연구소(ORNL), 미국 에너지부(DoE)]
실험 결과, 이 집전체를 적용한 배터리(mPET 셀)는 6C에서 에너지 밀도가 최대 27% 향상되었고, 극한의 고속 충·방전 조건에서 1,000회 이상 성능을 유지했으며, 기존 롤투롤(R2R) 배터리 제조 공정을 활용해 업계 표준을 충족했다. 상용화를 위한 확장성을 검증하기 위해 ORNL 연구진은 공개 접근이 가능한 에너지부 산하 배터리 제조 시설(Battery Manufacturing Facility, BMF)에서 업계 표준 공정을 사용해 코인형(coin cell) 및 파우치형(pouch cell) 배터리를 제작했다.
또한, 폴리머 코어는 안전성도 향상시킨다. 내부 단락이 발생하면 폴리머층이 녹아 도전성 금속으로부터 분리되면서 일종의 내장 회로 차단기처럼 작동한다. 시험 결과, 이 기능이 단락으로 인한 대부분의 배터리 화재를 예방할 수 있는 것으로 나타났다.
이번 연구 결과는
Energy & Environmental Materials에 게재됐으며, 연구는 ORNL 배터리 제조 시설에서 수행되었고 DOE 첨단 소재·제조 기술국(Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office)의 지원을 받았다.
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