산소 방출 막았더니, 차세대 배터리 양극재 수명 개선

리튬이온 배터리는 전기자동차와 에너지 저장 시스템(ESS) 등 여러 분야에서 핵심적인 역할을 한다. 게티이미지뱅크 제공

국내 연구팀이 리튬이온 배터리 전해질을 개선해 차세대 양극재와 배터리 수명을 늘리는 데 성공했다.

포스텍은 홍지현 친환경소재대학원 배터리공학과 교수, 임국현 연구원 연구팀이 리튬이온 배터리 양극재로 주목받는 '리튬과잉층상구조소재(LLO)'의 구조 변화를 규명하고 산소 방출을 억제하는 전해질을 개발해 배터리 수명을 늘리는 데 성공했다고 20일 밝혔다. 연구결과는 지난달 국제학술지 '에너지 & 환경과학'에 공개됐다.

리튬이온 배터리는 전기자동차와 에너지 저장 시스템(ESS) 등에서 핵심적인 부품이다. LLO는 상용화된 니켈 기반 배터리 양극재에서 니켈(Ni)과 코발트(Co) 함량을 줄이고 리튬(Li)과 망간(Mn) 함량을 높인 소재다. 기존 양극재보다 에너지 밀도가 20% 더 높고 경제적이다. LLO는 배터리 충·방전 과정에서 용량과 전압이 떨어진다는 점이 해결 과제로 지목됐다.

선행 연구에서 배터리 충·방전 시 LLO 양극재의 결정 구조가 변화해 배터리 성능 저하가 일어난다는 것이 확인됐지만 정확한 원인이나 해결책이 밝혀지지 않았다.

연구팀은 LLO의 구조 불안정성이 배터리 충·방전 과정에서 방출되는 산소와 관련이 있다는 사실에 주목했다. 양극과 전해질 사이 계면의 화학적 안정성을 강화하면 산소 방출을 막을 수 있다는 가설을 세우고 전해질 조성을 개선했다.

실험 결과 양극과 전해질 계면 안전성이 증가하면서 산소 방출량이 크게 줄었다. 기존 전해질 사용 시 300회 정도 충·방전을 반복하면 배터리 에너지 보존율이 37.1%로 감소했다. 연구팀이 개발한 전해질을 사용한 결과 700회 충·방전 후에도 에너지 보존율은 84.3%를 유지했다.

연구팀은 LLO 표면의 미세한 구조 변화가 소재 전체 구조에 영향을 준다는 사실도 밝혀냈다. 연구팀은 "양극의 수명과 성능을 획기적으로 개선할 수 있었다"며 "배터리 내 불필요한 반응도 줄였다"고 설명했다.

홍 교수는 "방사광가속기로 양극재 입자 표면과 내부의 화학적·구조적 차이를 분석해 양극 표면 안정성이 소재 전체 구조와 배터리 성능에 큰 영향을 미친다는 사실을 밝혀냈다"며 "이번 연구결과가 차세대 양극재 개발 연구에 새로운 방향을 제시할 것으로 기대된다"고 전했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1039/D4EE02329C

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]