리튬이차전지의 혁명…안정성·용량 2배↑ 제조법은 그대로

[아시아경제 정종오 기자]안정성과 에너지 밀도, 전지용량을 동시에 최대 2배 이상 향상시키면서도 제조공법은 그대로 사용할 수 있는 리튬이차전지용 신개념 양극소재가 국내 연구진에 의해 개발돼 관심을 모으고 있다. 리튬이차전지는 한 번 쓰고 버리는 일차전지와 달리 외부전원을 이용해 충전해 반영구적으로 사용하는 전지를 말한다.

리튬이차전지는 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등 휴대용 모바일기기에 폭넓게 사용되고 있다. 최근에는 하이브리드 전기자동차와 지능형 로봇 등의 동력원뿐만 아니라 태양광, 풍력 발전 등 신재생 에너지 전력저장용 중대형 전지시스템으로도 주목 받고 있다. 신개념 양극소재가 개발됨으로써 모바일 기기, 노트북 등에 활용되는 소형 전지뿐만 아니라 전기자동차나 신재생 에너지 저장용으로 사용될 수 있는 중대형 전지개발에 새로운 가능성이 열렸다.

그동안 리튬이차전지는 국내외에서 배터리 폭발사고가 발생하는 등 안전성의 문제가 대두됐다. 중대형 전지시스템에 적용하기 위해서는 에너지 밀도를 높이는 문제뿐만 아니라 우수한 안정성을 확보하는 문제가 중요한 이슈로 제기돼 왔다.

▲전체 농도구배 복합층 구조의 양극소재 설계 특성 및 구성 요소 장점을 표현한 그림.[사진제공=교육과학기술부]

이번에 개발된 제품의 특징은 리튬이차전지의 우수한 안전성과 높은 에너지밀도를 동시에 구현하면서 무엇보다 곧바로 상용화할 수 있는 전체 농도구배 복합층 구조양극소재를 개발했다는 점이다. 전체 농도구배 복합층 구조(Full Concentration Gradient Structure)는 고에너지 밀도를 갖는 중심부에서 고안전성, 고출력을 갖는 표면층까지 니켈, 코발트, 망간의 조성이 연속적으로 바뀌는 구조를 말한다. 하나의 입자 중심부에서 표면부까지 전체 농도를 변화시켜 각 조성에서 갖는 장점만을 발현할 수 있는 구조이다.

오랜 시간 구동할 때 발생할 수 있는 입자내 구조적 탈리 등의 결함을 완벽하게 보완했다. 이를 통해 입자 중심에서 최외각까지 순차적으로 전이금속의 농도 구배를 지니는 전체 농도구배 복합층 구조의 양극 소재를 개발한 것이다.

특히 이번에 개발된 신제품은 곧바로 상용화가 가능하다. 현재 양극 소재 제조 공정으로 현재 널리 사용되는 공침법을 이용해 제조할 수 있어 바로 상용화할 수 있다. 공침법(Coprecopitation method)은 여러 가지 서로 다른 이온들을 수용액 혹은 비수용액에서 동시에 침전시키는 방법으로 현재 리튬이차전지용 양극소재를 생산하는 산업 현장에서 가장 많이 사용되는 방법이다.

한마디로 이번에 개발된 신제품은 기존 리튬이차전지용 양극 소재(LiCoO2)와 삼성분계 양극 소재(약 470 Wh/kg)보다 안정성, 에너지 밀도 및 전지용량을 동시에 최대 2배 이상 향상시키면서도 제조공법은 그대로 사용할 수 있는 특징을 지니고 있다.

신제품을 개발한 한양대 선양국 교수는 "공침법을 이용한 전체 농도구배 복합층 구조의 양극소재 개발로 에너지 밀도 및 전지용량과 안정성을 동시에 높일 수 있다"며 "상용화가 쉬워 앞으로 하이브리드 전기자동차나 전력저장 시스템용 중대형전지뿐만 아니라 차세대에너지 저장시스템의 전극 소재 개발에 중요한 기반이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구는 세계 최고 과학전문지인 '네이처'의 대표적인 자매지이자 물리 및 재료과학분야의 권위 있는 학술지인 '네이처 머티리얼스(Nature Materials)'지 최신호(10월 8일자)에 게재됐다.

정종오 기자 ikokid@