KAIST, 국제 공동연구로 에너지밀도·가격경쟁력 모두 잡은 리튬이온전지 구현

무질서-암염 양극재전극에서 MWCNT 도전재를통해 개선된 전자 전도 네트워크와 전극 에너지밀도.

국내 연구진이 국제 공동연구로 리튬이온전지 에너지 밀도와 가격 경쟁력을 모두 높이는 새로운 전략을 제시했다.

한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 서동화 신소재공학과 교수팀이 울산과학기술원(UNIST), 캐나다 맥길대와 값이 비싼 니켈·코발트 없이 에너지 밀도를 40% 향상시킨 고성능 차세대 리튬이온전지 양극을 개발했다고 1일 밝혔다.

망간 기반 양이온-무질서 암염(DRX) 양극재에 주목했다. 값싸고 매장량이 풍부한 망간·철 등을 사용하며 양극재 무게 기준 기존 삼원계양극재보다 높은 에너지 밀도(약 1000Wh/㎏)를 가질 수 있기 때문이다. 값비싼 니켈·코발트 없이 소재를 설계할 수 있어 차세대 리튬이온전지 양극재로 주목받고 있다.

그러나 양극재 비율이 90% 이상인 전극으로 전지를 만들면 전지 성능이 매우 낮고 급격하게 열화되는 문제가 있었다. 따라서 양극재 비율을 70%로 낮춰 전극을 만들어야 했는데, 이 경우 전극 수준에서 삼원계(약 740Wh/㎏)보다 오히려 낮은 에너지 밀도를 가지는 문제가 있었다.

연구팀은 전극 내 망간 기반 DRX 양극재 비율이 높을수록 전자 전달 네트워크가 잘 형성되지 않고, 충·방전 간 부피 변화율이 높을수록 네트워크 붕괴가 잘 일어나 전지 저항이 크게 증가한다는 것을 밝혔다.

연구에 따르면 망간 기반 DRX 전극 제조 시 '다중벽 탄소나노튜브(여러 개 농축 원통형 그래핀 층으로 구성된 나노튜브)'를 사용해 DRX 양극재의 낮은 전자전도도를 보완하고 충·방전 간 부피 변화를 견딜 수 있게 돼 전극 내 양극재 비율을 96%까지 높여도 성능이 열화되지 않았다.

이를 통해 니켈·코발트 없이 전극 무게 기준 약 1050Wh/㎏의 높은 에너지밀도를 보이는 차세대 리튬이온전지 양극을 개발했다. 리튬이온전지 양극 중 세계 최고 수준이며, 상용 삼원계 양극 대비 에너지밀도가 40% 향상된 수준이다.

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

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.

김영준 기자 kyj85@etnews.com