500번 충·방전해도 높은 에너지 밀도 유지하는 양극 소재 합성법 개발했다

강병우 포스텍 신소재공학부 교수팀

강병우 포스텍 신소재공학부 연구팀(사진)이 충전과 방전을 500번 반복해도 에너지 밀도가 높게 유지되는 양극 소재를 개발했다고 22일 발표했다. 포스텍 제공

국내 연구팀이 최소 500차례 이상 충·방전해도 에너지 밀도가 높게 유지되는 값싼 양극 소재를 개발했다. 리튬 전지로 장거리를 운행할 수 있는 전기자동차를 만날 수 있는 날이 한층 가까워졌다는 평가가 나온다. 

강병우 포스텍 신소재공학부 연구팀은 차세대 고용량 양극 소재로 주목받고 있는 ‘리튬 과량 층상구조’ 양극 소재의 합성법을 바꿔 500번 충·방전해도 에너지 밀도가 높게 유지되는 양극 소재 개발에 성공했다고 22일 밝혔다.

리튬이온 전지 내부에는 리튬 이온이 움직일 수 있는 전해액 안에 양극과 음극이 분리막을 사이에 두고 놓여있다. 음극과 양극에 전기 장치를 연결하면 음극에 있던 리튬 원자가 이온화돼 내놓은 전자가 장치로 흘러 들어가 전기가 흐르고 전해액을 타고 양극으로 이동한 리튬 이온은 장치를 거쳐 온 전자와 결합해 다시 리튬 원자로 돌아간다. 충전하면 이 과정이 반대로 일어난다. 

양극 소재는 코발트, 니켈, 망간 같은 전이금속과 리튬을 혼합해 만든다. 각 성분의 함유량에 따라 양극 소재의 용량, 가격, 수명이 바뀐다. ‘리튬 과량 층상구조’는 리튬과 전이금속이 층을 이루고 있는 구조다. 리튬 과량 층상 구조는 양극 소재는 리튬이 많아 에너지 밀도가 높지만 충·방전을 반복하면 리튬이 이탈해 구조적인 붕괴가 일어나 양극 소재의 에너지 밀도가 대폭 줄어드는 단점이 있다.

연구팀은 앞선 연구에서 니켈, 망간 같은 전이금속과 리튬층이 완전히 분리돼있는 것보다 리튬층에 니켈 등이 일부 섞여 있으면 구조적으로 안정적이라는 사실을 밝혔다. 연구팀은 양극 소재를 합성할 때 리튬과 전이금속을 가열하는 온도, 냉각하는 온도, 냉각 시간 등을 바꿔 양극 소재의 구조를 안정하게 유지하는 원자 분포를 찾았다.

연구팀은 이렇게 만든 양극 소재의 에너지 밀도를 측정한 결과 1100Wh/kg였다. 이는 현재 상용화된 양극 소재의 에너지 밀도인 600Wh/kg의 1.8배고 값비싼 코발트를 쓰지 않아도 된다는 장점이 있었다. 충·방전이 반복돼 리튬이 빠져나가도 안정적인 구조를 유지할 수 있어 충·방전을 100번 한 경우 에너지 밀도가 처음의 95%를 유지했고 충·방전을 500번 한 경우 처음의 83%를 유지했다. 

강 교수는 "이번 연구 성과는 차세대 고용량 리튬 과량 층상구조 양극 소재의 중요한 이슈 중 하나인 충·방전 횟수 문제를 간단한 공정 변화를 통해 획기적으로 개선했다"고 말했다. 

강병우 포스텍 신소재공학부 연구팀이 차세대 고용량 양극 소재로 주목받고 있는 ‘리튬 과량 층상구조’ 양극 소재의 합성법을 바꿔 500번 충·방전해도 에너지 밀도가 높게 유지되는 양극 소재 개발에 성공했다고 22일 밝혔다. 포스텍 제공

[김우현 기자 mnchoo@donga.com]