에기硏 "하이 니켈 양극재 성능저하 문제 해결"

국내 연구진이 '하이 니켈 양극재'의 성능저하 문제를 해결했다.

한국에너지기술연구원(이하 에기연)은 울산 차세대 전지 연구개발센터 진우영·차형연 박사 연구팀이 그간 하이 니켈 양극재의 고질적 문제로 지적됐던 잔류 리튬 화합물의 위치를 새롭게 규명, 잔류 리튬을 최소화하는 설계 방안을 제시했다고 22일 밝혔다.

진우영·차형연 박사 연구팀이 그간 하이 니켈 양극제의 고질적 문제로 지적됐던 잔류 리튬 화합물의 위치를 새롭게 규명, 잔류 리튬을 최소화하는 설계 방안을 제시했다. 한국에너지기술연구원 제공

하이 니켈계 양극재는 전기차 등에 활용되는 차세대 리튬 이온 배터리의 핵심 소재다. 양극재의 니켈 함량이 높을수록 전지의 에너지 밀도는 올라가고, 전기차의 주행거리도 향상된다. 같은 이유로 하이 니켈 양극재는 니켈 함량이 80%에 달해 차세대 전기차 시장의 핵심 기술로 주목받는다.

하지만 니켈 함량이 늘어날수록 양극재 표면에 잔류 리튬 화합물이 과도하게 생성되고, 전극 원료가 젤리처럼 굳어지는 겔화 현상이 일어난다.

이후에는 입자가 고르게 분포되지 않아 전극 물질 간 접착력이 20%가량 감소해 전극의 완성도와 성능 저하를 야기하는 문제가 있다. 이는 상용화된 양극재에서도 동일하게 발생하는 문제로, 안정적인 생산과 활용을 위해선 고질적 문제를 해결할 방안이 꼭 필요했던 상황이다.

연구팀은 기존 통념에서 벗어나 잔류 리튬이 양극재 내부의 입자 사이에도 존재한다는 사실을 최초로 확인했다. 또 기존에 간과한 양극재 내부 구조가 배터리 성능과 수명 저하의 주요 요인 중 하나임을 규명, 잔류 리튬 형성을 원천적으로 억제할 수 있는 설계 방향을 제안했다.

특히 연구팀은 고해상도 전자현미경과 질소 흡착 분석, 전자 에너지 손실 분광 등 최첨단 분석 기법으로 양극재를 정밀 분석했을 때 입자 간 미세한 틈에 잔류 리튬 화합물이 결정질 형태로 존재하며 성능 저하의 주된 원인 중 하나로 작용한다는 것을 확인했다.

이를 토대로 양극재 내부의 잔류 리튬 형성 억제를 위한 단결정 구조의 고니켈 양극재 활용을 제안했다. 단결정 구조는 내부 입자 간 경계가 없거나 매우 제한적이기 때문에 입자 간 틈이 발생하지 않고, 잔류 리튬이 고체화될 수 있는 공간을 차단할 수 있기 때문이다.

연구팀은 고니켈 단결정 양극재를 활용할 경우 기존 양극재보다 잔류 리튬 수치는 54% 낮아져 산업계와 학계의 목표인 잔류 리튬 화합물 2000ppm 이하를 달성할 수 있을 것으로 기대한다.

진우영·차형연 박사는 "이번 연구는 기존에 표면을 중심으로 접근했던 잔류 리튬 문제를, 입자 내부 구조로 확장해 정밀 분석해 진행한 최초의 사례"라며 "연구팀은 연구를 통해 고니켈 양극재의 구조 안정성과 성능 열화를 근본적으로 이해하는 데 중요한 전환점을 제공했다"고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업과 원천기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 논문은 재료과학 분야의 세계적인 학술지 '저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 에이'의 2월호 표지 논문으로도 선정됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr