니켈·코발트 없이 에너지밀도 40% 높인 리튬이온전지

KAIST·UNIST·맥길대

스마트폰, 전기자동차 등에 사용되는 리튬이온전지를 구성하는 가장 비싼 재료는 니켈, 코발트 등의 희귀금속이 포함된 양극재다. 국제공동연구팀이 희귀금속 없이 리튬이온전지의 에너지밀도를 높이는 전략을 제시했다.

KAIST는 서동화 신소재공학과 교수 연구팀이 울산과학기술원(UNIST), 캐나다 맥길대와 공동연구를 통해 리튬이온전지 양극의 핵심 광물인 니켈, 코발트 없이 에너지밀도가 40% 향상된 고성능 차세대 리튬이온전지 양극을 개발했다고 1일 밝혔다.

연구팀은 값싸고 매장량이 풍부한 망간 기반 양이온-무질서 암염(DRX) 양극재에 주목했다. 니켈, 코발트 없이 소재를 설계할 수 있으며 양극재 무게 기준 기존 상용화된 삼원계 양극재보다 높은 에너지밀도를 가질 수 있다.

하지만 망간 기반 DRX 양극재 비율이 90% 이상인 전극으로 전지를 만들면 전지 성능이 매우 낮아지고 급격하게 열화되는 문제가 있다. DRX 양극재 비율을 70%로 낮춰야 하는데 이때는 또 삼원계보다 에너지밀도가 낮아진다는 문제가 생긴다.

연구팀은 전극 내 망간 기반 DRX 양극재 비율이 높을수록 전자 전달 네트워크가 잘 형성되지 않고, 충·방전 간 부피 변화율이 높을수록 충·방전하는 동안 네트워크 붕괴가 잘 일어나 전지 저항이 크게 증가한다는 것을 발견했다. 고성능 차세대 양극재를 사용해도 저항이 크게 걸려 전지가 제성능을 낼 수 없다는 것이다.

연구팀이 망간 기반 DRX 전극 제조 시 다중벽 탄소나노튜브를 사용해 DRX 양극재의 낮은 전자전도도를 보완하고 충·방전 간 부피 변화를 견딜 수 있게 하자 전극 내 양극재 비율을 96%까지 끌어올려도 전자 전달 네트워크와 전지 성능이 열화되지 않았다.

니켈, 코발트 없이 전극 무게 기준 약 1050Wh/kg(킬로그램 당 킬로와트)의 높은 에너지밀도를 보이는 차세대 리튬이온전지 양극이 개발된 것이다. 이는 리튬이온전지 양극 중 세계 최고 수준인 상용 삼원계 양극 대비 에너지밀도가 40% 향상된 수준이다.

서 교수는 “상용화를 위해 풀어야 할 문제들이 아직 남아있지만 중국 의존도가 높은 니켈, 코발트 광물이 필요 없는 차세대 양극 개발 시 자원 무기화에 대비할 수 있을 것"이라며 "리튬 인산철 양극 주도의 저가 이차전지 시장에서 우리 기업의 글로벌 경쟁력이 강화될 것으로 기대된다”고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘에너지 & 환경과학’에 지난달 27일 온라인 공개됐고 6월 표지논문으로 출판된다.

[문세영 기자 moon09@donga.com]