질화붕소 나노튜브가 적용된 파우치 배터리 사진 / 사진. 한국원자력연구원

한국원자력연구원(이하 연구원)은 지난 10월 26일(목) 연구원 창업기업인 내일테크놀로지가 질화붕소 나노튜브(BNNT: Boron Nitride NanoTubes)를 활용한 리튬이차전지 전해질 첨가제를 개발했다고 밝혔다. 이번 개발은 한국에너지공과대학 두석광 교수팀과 충남대 최재학, 송우진 교수팀의 공동 연구 결과이다.

BNNT는 기존 탄소나노튜브 수준의 열전도, 기계적 특성을 가지면서 900도 이상 고온에서도 안정적이고 화학적 반응성이 매우 낮아 각광받고 있는 신소재다.

내일테크놀로지는 독자 개발한 BNNT 제조 기술과 장치를 기반으로 2015년 설립한 연구원 창업기업이다. 2019년에는 세계 최초로 BNNT를 활용한 자동차 배기가스 정화용 촉매를 개발하며 주목받았다.

배터리는 양극, 음극, 분리막, 전해질로 구성되는데 성능 향상을 위해 다양한 물질을 첨가하고 있다. 대표적인 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 있고, 배터리 출력, 용량, 충‧방전, 안전성 등 주요 성능을 모두 향상시키는 것으로 확인됐다.

리튬이온 속도인 이온전도도는 20% 이상, 이온전달수는 50% 이상 증가했다. 리튬이온 전도도와 전달수가 높을수록 배터리 출력이 커지고 고속으로 충전된다. 

배터리의 양극 무게당 용량(mAh/g)인 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. 

또한, 분리막 열 수축률을 50% 이상 낮춰 안전성도 높였다. 배터리 온도 상승 시 분리막 열 수축에 의해 양극과 음극이 맞닿으면 폭발할 위험이 있다. BNNT 입자는 실린더 모양의 구조로 되어 있어 열도 밖으로 효율적으로 방출할 수 있다.

내일테크놀로지 김재우 대표이사는 “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 밝혔다.