인하대학교는 김민규 화학과 교수 연구팀이 이차전지 단일 소재의 한계를 극복할 복합 전극 전략을 새롭게 제시했다고 7일 밝혔다.
전기차, 드론, 도심항공모빌리티(UAM) 등 차세대 이동수단이 빠르게 발전하면서, 이를 움직일 강력한 배터리 기술의 중요성이 커지고 있다. 특히 에너지 밀도가 높고, 가격 경쟁력이 있는 하이니켈(High-Ni) 양극재가 주목받고 있지만 초기 충·방전 과정에서 발생하는 용량 손실과 수명 저하 문제는 해결해야 할 숙제다. 이는 하이니켈 소재 기반 배터리 소재가 갖는 본질적 문제다.
하이니켈 소재의 문제점을 해결하기 위해 학계에선 다양한 금속을 도핑하거나 표면을 코팅하는 방식의 다양한 연구를 진행하고 있다. 하지만 니켈 함량이 90%가 넘는 고함량 하이니켈 소재에서는 연구 방향의 선택지가 제한적이다.
김민규 교수 연구팀은 하이니켈 소재의 한계를 극복할 수 있는 방법으로 리튬인산철(LiFePO₄·LFP)과 하이니켈 양극소재를 단순 혼합해 구성한 복합 전극 전략을 새롭게 제시했다. 하이니켈 소재와 LFP 소재 양극재를 함께 사용한 복합 전극 내에서 자발적으로 리튬 이온 이동이 발생하는 현상을 활용했다.
복합 전극에서 방전을 시작하면 하이니켈 양극재가 리튬을 받아들이는 반응이 먼저 진행된다. 하지만 방전이 끝나갈 무렵 하이니켈 소재의 특유의 반응 속도(키네틱) 문제로 리튬이 들어갈 공간이 남아 있어도 이동이 느려서 방전이 제대로 마무리되지 않게 된다.
그렇게 되면 전극에 함께 들어 있던 LFP가 방전을 시작한다. 이때 LFP와 하이니켈 사이 전기화학적 포텐셜 차이로 LFP에서 하이니켈로 리튬 이온이 스스로 이동하는 현상이 발생한다. 하이니켈 소재로 리튬이 추가로 삽입되는 반응을 유도하는 것이다.
연구팀은 이같은 방식이 하이니켈 소재의 첫 충·방전 과정에서 흔히 발생하는 비가역 용량 손실(한번 쓰고 다시 못 쓰는 에너지 손실)을 효과적으로 줄일 수 있다고 밝혔다. 더불어 실시간 결정 구조 분석 기법과 실시간 반응 기여도 분할 측정 기법을 통해 복합 전극 내부에서 일어나는 화학 반응의 동역학과 각 소재의 반응 메커니즘을 규명했다.
연구팀은 특히 내부 리튬 이온 이동 현상이 사용을 반복할수록 더욱 활발해진다는 사실도 밝혔다. 그 결과, 초기 성능 개선에 그치지 않고 장기간 사용할 때 배터리 수명 저하도 효과적으로 늦출 수 있다고 설명했다. 실제 산업에서 사용 중인 NMC811(고용량 하이니켈 양극재) 단결정과 다결정 양극재에 동일 적용해 현실적인 상용화 가능성도 확인했다는 게 연구팀의 주장이다.
교신 저자인 김민규 인하대 화학과 교수는 “복잡한 신소재 개발 없이도 상용화한 두 소재 간 자발적 리튬 이동이라는 새로운 현상을 활용해 실질적인 배터리 성능 개선이 가능하다는 점에서 연구 성과가 가지는 의미가 크다”며 “앞으로도 다양한 조합의 복합 전극 설계를 바탕으로 차세대 이차전지 상용화에 기여하겠다”고 말했다.
한편 이번 연구성과는 영국왕립화학회(RSC)가 발간하는 에너지 분야 국제 저명 학술지 ‘Energy & Environmental Science’ 최근호에 게재됐다. 단순한 소재 개선을 넘어 복합 전극 내 물질 간 상호작용을 통해 기존 소재의 한계를 극복할 수 있다는 점에서 새로운 배터리 설계 패러다임을 제시한 것으로 평가받고 있다.
헬로티 이창현 기자 |
