“전기차 주행거리 1000km 시대 열릴까” DGIST, 고용량·고안전성 양극소재 개발

대구경북과학기술원(DGIST·총장 이건우)은 박경수 화학물리학과 교수 연구팀이 박광진 가천대 교수팀과 공동 연구를 통해 전기차 배터리의 핵심 부품인 양극재의 성능을 한단계 끌어올리는 기술을 개발했다고 5일 밝혔다. 이번 성과는 고용량·고안전성 리튬이온 배터리 소재 개발을 위한 새로운 지평을 열 수 있을 것으로 기대된다.

리튬이온 배터리의 핵심 구성요소인 양극재는 배터리의 용량, 수명, 출력 특성, 안정성 등 주요 성능을 결정하는 중요한 물질이다. 리튬 이온을 저장하며 전기에너지를 전달하는 역할을 한다.

박경수 DGIST 교수

니켈 함량이 높은 NCM(Nickel Cobalt Manganese) 양극재는 기존 소재보다 더 많은 에너지를 담을 수 있어 전기차 주행거리를 크게 늘릴 수 있는 장점이 있다. 하지만, 니켈 함량이 많을수록 반복적인 충·방전 과정에서 입자 균열과 급격한 용량 감소가 발생하고, 다량의 가스배출로 안전성이 저하되는 문제점이 있다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 니켈리치 NCM 양극소재의 성능저하와 가스 발생 원인을 정밀하게 분석했다. 투과전자 현미경 분석 및 표면 분석 기술 등 고도의 분석기법을 활용해 양극재 내부의 변화를 관찰했다. 이를 통해 낮은 초기 충전 전압에서 표면에 나노 크기의 공극이 형성되며, 이로 인해 배터리 성능이 저하된다는 사실을 밝혀냈다.

4.25 V 차단전압으로 50회 충방전을 반복한 결과, 일차입자 표면부에 형성된 nanovoid 클러스터 형상 및 nanocrack 구조

더 나아가 기존 복잡한 도핑이나 표면 처리 공정을 사용하지 않고도 초기 활성화 충전 전압을 높이는 간단한 방법으로 양극재의 구조적 붕괴를 방지할 수 있음을 입증했다. 초기 전압을 높게 설정하면 양극재의 구조가 안정적으로 유지되며, 나노 균열이나 성능 저하를 방지할 수 있었다.

박경수 교수는 “이번 연구는 지금까지 불분명했던 니켈리치 양극소재의 성능저하 원인을 원자수준까지 규명하고, 이를 통해 양극소재의 고용량과 고안전성을 용이하게 확보할 수 있는 새로운 방안을 제시한 데 의의가 있다.”며 “이를 기반으로 주행거리 1000㎞ 시대를 여는 차세대 리튬이온 배터리 개발에 기여하겠다.”고 밝혔다.

한국연구재단 중견연구자 지원사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 최근 세계적 학술지 'ACS Nano'에 온라인 게재됐다.

대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com