차세대 2차전지 수명 높일 방법 찾았다… ‘저온 전처리’로 결함 최소화

원자력연, 표준연·충남대 연구진과 공동 연구
국내 유일의 중성자 연구시설 활용

국내 연구진이 차세대 2차전지로 주목받는 하이 니켈(high-Ni) 배터리의 수명을 높일 새로운 방법을 찾았다. 사진은 하나로 냉중성자 연구시설(40M 중성자소각산란장치)을 배경으로 (왼쪽부터) 송석현 중성자과학부 학연학생(주저자), 한영수 중성자과학부장, 김형섭 중성자과학부 선임연구원(교신저자)./한국원자력연구원

국내 연구진이 차세대 2차전지로 주목받는 하이 니켈(high-Ni) 배터리의 수명을 높일 새로운 방법을 찾았다.

한국원자력연구원은 김형섭 하나로양자과학연구소 선임연구원 연구진이 박혁준 한국표준과학연구원 연구원과 진형민 충남대 유기재료공학과 교수 연구진과 함께 하이 니켈의 양극재를 합성할 때 발생하는 나노 크기의 결함을 정량적으로 분석하고 제어할 방법을 최초로 제시했다고 23일 밝혔다. 연구 결과는 재료 분야의 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’ 온라인판에 6일 게재됐다.

최근 전기차, 휴대전화, 노트북 등에 흔히 사용되는 대표적인 2차전지인 리튬이온전지의 차세대 양극재로 하이 니켈 양극재가 주목받고 있다. 양극재는 배터리 성능을 좌우하는 핵심 요소로 현재 가격이 비싸 새로운 양극 소재 개발 경쟁이 치열하다.

하이 니켈 양극재는 니켈-코발트-망간을 함유한 양극재 중 고가의 코발트 일부를 니켈로 대체해 니켈 비중을 90%까지 높인 소재다. 저렴하지만 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 저장 용량을 크게 늘릴 수 있다. 다만 하이 니켈 양극재는 합성이 어려울 뿐 아니라 이 과정에서 입자 내부에 0.1~300㎚(나노미터·10억분의 1m) 크기의 아주 미세한 기공이 발생해 수명이 줄어드는 문제가 있었다. 최근 전자현미경 분석을 통해 합성 조건에 따라 기공의 크기와 개수가 달라진다는 점이 일부 밝혀졌지만, 기공이 정확히 얼마나 생기는지는 베일에 가려있었다.

연구진은 결함 구조의 정확한 분석을 위해 중성자를 활용했다. 중성자 활용 장치를 통해 하이 니켈 양극재 합성 과정에서 나노 크기의 미세한 결함이 열처리 조건에 따라 얼마나 발생하는지 측정했다. 연구진은 조건에 따른 결함의 크기와 양을 정량적으로 알아낸 것은 이번이 처음이라 밝혔다.

연구진이 활용한 장치는 국내 유일의 중성자 연구시설인 하나로의 중성자 소각 산란 및 회절 장치다. 이 장치는 특정 물질에 충돌시켜 반사되는 중성자를 측정해 물질의 성질을 분석하는 첨단 장비다. 특정 물질의 원자핵과 직접 반응하므로 원자의 위치, 움직임과 같은 물질의 미세 구조와 운동까지 광범위하게 파악할 수 있다.

연구진은 이번 분석을 통해 결함을 최소화할 수 있는 최적의 열처리 조건을 찾았다. 저온 전처리 공정을 거칠 경우 부산물 형성이나 나노 크기의 결함이 줄어들어 배터리 수명을 기존보다 10% 높일 수 있었다.

정영욱 하나로양자과학연구소장은 “기존 X-선이나 전자현미경보다 중성자가 물질 특성 분석에 더 탁월하다”며 “향후 다양한 양극재 개발뿐 아니라 배터리 폭발 원인 분석과 같은 산업계와 과학계의 핵심 난제 해결에도 폭넓게 활용될 것으로 기대된다”고 전했다.

참고 자료

Advanced Functional Materials(2023), DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.202306654

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