값싸고 성능 40% 향상 고성능 차세대 ‘리튬이온전지’ 양극 개발

KAIST·울산과기원·캐나다 맥길대 공동 연구팀

망간 기반 DRX 양극재 내 망간 함량과 전자전도도, 부피 변화량의 관계. (KAIST 제공)/뉴스1

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 국내 연구진이 값싸고 성능이 40% 향상된 리튬이온전지를 만드는 기술을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 서동화 교수 연구팀이 울산과학기술원(UNIST), 캐나다 맥길대와 리튬이온전지 양극의 핵심 광물인 값비싼 니켈, 코발트 없이도 에너지밀도가 40% 향상된 고성능 차세대 리튬이온전지 양극을 개발했다고 2일 밝혔다.

연구팀은 망간 기반의 양이온-무질서 암염(DRX) 양극재에 주목했다.

DRX 양극재는 값싸고 매장량이 풍부한 망간, 철 등을 사용할 수 있으면서 양극재 무게 기준 기존 상용화된 삼원계양극재(약 770Wh/㎏)보다 높은 에너지밀도(약 1000Wh/㎏)를 가질 수 있어서다.

그러나 망간 기반 DRX 양극재의 경우 양극재 비율이 90% 이상인 전극으로 전지를 만들면 전지 성능이 매우 낮고 급격하게 열화되는 문제가 있었다.

이에 연구팀은 전극 내 망간 기반 DRX 양극재 비율이 높을수록 전자 전달 네트워크가 잘 형성되지 않고, 충·방전 간 부피 변화율이 높을수록 충·방전 동안 네트워크 붕괴가 잘 일어나 전지의 저항이 크게 증가하는 것을 규명했다.

고성능 차세대 양극재를 사용하더라도 저항이 크게 걸려 전지가 제 성능을 낼 수 없었던 것이다.

연구팀은 망간 기반 DRX 전극 제조 시 다중벽 탄소나노튜브를 사용해 DRX 양극재의 낮은 전자전도도를 보완하고 충·방전 간 부피 변화를 견딜 수 있게 했다. 그 결과 전극 내 양극재의 비율을 96%까지 끌어올리더라도 전자 전달 네트워크와 전지 성능이 열화되지 않았다.

연구팀은 이를 통해 니켈, 코발트 없이 전극 무게 기준 약 1050Wh/㎏의 높은 에너지밀도를 보이는 차세대 리튬이온전지 양극을 개발했다.

이는 리튬이온전지 양극 중 세계 최고 수준이며, 상용 삼원계 양극 대비 에너지밀도가 40% 향상된 수준이다.

또 DRX 양극재 내 망간 함량이 높을수록 전자전도도는 높으나, 동시에 부피 변화율도 높다는 상관관계를 발견했다.

연구팀은 이를 기반으로 망간 함량을 낮춰 부피 변화를 억제하고, 다중벽 탄소 나노튜브를 사용해 낮은 전자전도도를 극복한다는 차세대 리튬이온전지 양극 설계 전략을 제시했다.

서동화 KAIST 신소재공학과 교수. /뉴스1

서동화 KAIST 교수는 “상용화를 위해 풀어야 할 문제들이 아직 남아있지만 대 중국 의존도가 높은 니켈, 코발트 광물이 필요 없는 차세대 양극 개발 시 자원 무기화에 대비할 수 있고 리튬 인산철 양극 주도의 저가 이차전지 시장에서 우리 기업의 글로벌 경쟁력이 강화될 것으로 기대된다”고 말했다.

KAIST 신소재공학과 이대형 박사과정이 공동 제1 저자로, 박상욱 박사과정, 김호준 석사과정이 공저자로 참여한 이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지 및 환경과학’ 6월호 표지 논문으로 출판될 예정이다.

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