배터리 양극재 성능 저하 원인 밝혀내

DGIST 박경수 교수팀

초기 전압 높게 설정 시

양극재 구조 안정적 유지

지역 대학 연구진이 전기차 배터리의 핵심 부품인 양극재를 한 단계 발전시키는 새 기술을 개발했다. 이번 성과는 고용량·고안전성 리튬이온 배터리 소재 개발을 위한 새로운 지평을 열 것으로 기대된다. 5일 대구경북과학기술원(DGIST)에 따르면 화학물리학과 박경수 교수 연구팀이 가천대 박광진 교수팀과 공동 연구로 전기차 배터리의 핵심 부품인 양극재를 한 단계 더 발전시킨 용량·고안전성 양극소재를 개발했다.

리튬이온 배터리의 핵심 구성요소인 양극재는 배터리의 용량, 수명, 출력 특성, 안정성 등 주요 성능을 결정하는 중요한 물질로 리튬 이온을 저장해 전기에너지를 전달하는 역할을 한다. 니켈 함량이 높은 NCM(Nickel Cobalt Manganese) 양극재는 기존 소재보다 더 많은 에너지를 담을 수 있어 전기차 주행거리를 크게 늘릴 수 있다.

반면 니켈 함량이 많을수록 반복적인 충·방전 과정에서 입자 균열과 급격한 용량 감소가 발생하고 다량의 가스배출로 안전성이 저하되는 문제점이 있다.

연구팀은 니켈리치 NCM 양극소재의 성능저하와 가스 발생 원인을 정밀하게 분석해 낮은 초기 충전 전압에서 표면에 나노 크기의 공극이 형성되며 이로 인해 배터리 성능이 저하된다는 사실을 확인했다.

이에 연구팀은 기존의 복잡한 도핑이나 표면 처리 공정을 사용하지 않고도 초기 활성화 충전 전압을 높이는 간단한 방법으로 양극재의 구조적 붕괴를 방지할 수 있다는 것을 입증했다. 초기 전압을 높게 설정하면 양극재의 구조가 안정적으로 유지되고 나노 균열이나 성능 저하를 방지할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

연구 결과는 세계적 학술지인 ‘ACS Nano’에 1월 21일 자 온라인에 게재됐다.

박경수 교수는 “지금까지 불분명했던 니켈리치 양극소재의 성능저하 원인을 원자 수준까지 규명하고 이를 통해 양극 소재의 고용량과 고안전성을 용이하게 확보할 수 있는 새로운 방안을 제시한 데 의의가 있다”며 “이를 기반으로 주행거리 1천km 시대를 여는 차세대 리튬이온 배터리 개발에 기여하겠다”고 말했다. 김홍철기자 khc@idaegu.co.kr