니켈·코발트 필요없는 리튬이온전지 개발…에너지밀도 40% 높였다

KAIST·UNIST·맥길대 공동연구팀
DRX 양극재 단점 극복할 방법 찾아

무질서-암염 양극재 전극에서 다중벽 탄소나노튜브 도전재를 통해 개선된 전자 전도 네트워크와 전극 에너지밀도./KAIST

리튬이온전지의 에너지 밀도와 가격 경쟁력을 모두 높일 수 있는 새로운 기술이 나왔다.

한국과학기술원(KAIST)과 울산과학기술원(UNIST)은 캐나다 맥길대와 공동연구를 통해 리튬이온전지 양극의 핵심 광물인 니켈, 코발트 없이도 에너지밀도가 40% 향상된 고성능 차세대 리튬이온전지 양극을 개발했다고 1일 밝혔다.

연구팀은 망간 기반의 양이온-무질서 암염(DRX) 양극재에 주목했다. DRX 양극재는 값싸고 매장량이 풍부한 망간, 철 등을 사용할 수 있으면서 기존 상용화된 삼원계 양극재보다 에너지밀도가 높은 장점이 있다. 무엇보다도 비싼 니켈과 코발트 없이 소재를 설계할 수 있어 가격 경쟁력이 뛰어나다.

다만 DRX 양극재는 양극재 비율이 90% 이상인 전극으로 전지를 만들면 전지 성능이 매우 낮고 급격하게 열화되는 한계가 있었다. 이 문제를 해결하기 위해 양그재 비율을 70%로 낮춰서 전극을 만들기도 하는데, 이 경우 삼원계 양극재보다 에너지밀도가 낮아져 DRX 양극재의 장점이 사라졌다.

연구팀은 DRX 전극 제조 과정에서 다중벽 탄소나노튜브를 사용해 DRX 양극재의 낮은 전자전도도를 보완하는 해결책을 제시했다. 이렇게 되면 전극 내 양극재 비율을 96%까지 높여도 전지 성능의 열화가 일어나지 않았다. 연구팀은 이 기술을 이용해 니켈, 코발트 없이 전극 무게 기준 약 1050Wh/㎏의 높은 에너지밀도를 보이는 차세대 리튬이온전지 양극을 개발했다. 리튬이온전지 양극 중 세계 최고 수준이고, 상용화된 삼원계 양극 대비 에너지밀도가 40% 향상된 것이다.

연구에 참여한 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.

참고자료

Energy & Environmental Science(2024), DOI : DOIhttps://doi.org/10.1039/D4EE00551A