성균관대, 코발트 없애고 니켈 줄인 차세대 배터리 양극 소재 개발

[서울=뉴시스]박시은 인턴 기자 = 성균관대학교는 에너지과학과 김종순 교수 연구팀이 차세대 리튬이온배터리의 핵심 후보로 꼽히는 '과리튬계 양극 소재(LMR)'의 성능 저하 원인을 규명하고, 이를 억제할 수 있는 설계 전략을 통해 세계 최고 수준의 안정성을 갖춘 신규 소재를 개발했다고 19일 밝혔다.

현재 전기차 배터리 시장에서 주로 사용되는 양극 소재는 니켈(Ni)·코발트(Co)·망간(Mn)을 섞은 삼원계(NCM) 소재다. 코발트와 니켈은 가격이 비싸고 수급이 불안정하지만, 과리튬계 양극 소재는 저렴한 망간의 함량을 높이며 저장할 수 있는 에너지 용량 또한 기존 소재들보다 훨씬 크다는 장점이 있다.

그런데도 과리튬계 소재는 배터리를 반복해서 사용할수록 내부 구조가 변하면서 전압이 떨어지고 에너지가 급격히 줄어드는 '구조적 열화' 문제로 인해 상용화에 어려움을 겪어왔다.

연구진은 이를 해결하기 위해 소재의 초기 변화뿐만 아니라 장기간 사용 시 발생하는 구조 변화를 분석했다. 그 결과, 배터리가 충·방전될 때마다 구조적 변형이 누적돼 성능 저하를 가속한다는 사실을 밝혀냈다.

이에 연구진은 소재 내부의 산소 원자가 제자리를 지키도록 일종의 '고정 장치' 역할을 하는 '산소 공유결합 제어인자'를 도입해 배터리 구동 중 산소 가스가 빠져나가는 현상을 막고 구조적 강직성을 높였다. 이는 100회 충·방전 이후에도 처음 용량의 93.4%를 유지하며 기존 소재 대비 약 30% 이상 향상된 수명을 보였다.

특히 이번 연구는 원가 비중이 높은 니켈 함량을 구조 내 0.1몰 수준까지 최소화하고, 코발트를 전혀 사용하지 않는 '코발트 프리'를 설계해 경제성을 극대화했다.

김 교수는 "이번 연구는 과리튬계 양극 소재의 고질적인 문제인 구조 열화의 원인을 규명하고, 실질적인 해법을 제시했다는 데 의미가 크다"며 "뛰어난 원가 경쟁력과 성능을 동시에 확보한 만큼, 향후 전기차 등 대용량 에너지 저장 장치 분야 발전에 이바지할 것으로 기대한다"고 전했다.

한편 이번 연구 성과는 한국연구재단의 소재글로벌영커넥트 프로그램 지원으로 수행됐으며, 에너지 분야의 국제 학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)'에 게재됐다. 해당 논문에는 홍지현 포항공대 교수 또한 교신저자로 이름을 올렸다.


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