차세대 전기차 배터리 소재 '하이니켈 양극재'의 성능 저하 해결

에너지硏 "양극재 입자 사이에 존재하는 잔류 리튬 최초로 관찰"

양극재 입자 사이 기공에 존재하는 잔류 리튬 화합물 [한국에너지기술연구원 제공. 재판매 및 DB 금지]

(대전=연합뉴스) 박주영 기자 = 한국에너지기술연구원 울산차세대전지연구개발센터 진우영·차형연 박사 연구팀은 차세대 전기차 배터리의 핵심 소재인 하이니켈 양극재의 성능 저하 문제를 해결했다고 22일 밝혔다.

하이니켈 양극재는 니켈 함량이 80%에 달하는, NCM(니켈·코발트·망간)을 원료로 제조한 양극재다. 에너지 밀도와 출력이 높아 전기차에 쓰이는 차세대 리튬이온 배터리의 양극재 소재로 주목받고 있다.

다만 니켈 함량이 높아질수록 니켈이 대기 중 이산화탄소나 수분과 반응하면서 생기는 잔류 리튬 화합물이 증가하고 전극 원료가 겔화(점도가 증가해 젤처럼 굳는 현상)하는 문제가 있었다.

이는 전극 완성도와 성능을 떨어뜨리는 원인이 된다.

배터리 양극재의 겔화 현상 [한국에너지기술연구원 제공. 재판매 및 DB 금지]

기존에는 잔류 리튬이 양극재 입자 표면에만 쌓인다고 판단해 표면을 증류수로 세정하거나 외부를 코팅하는 등 공정을 시도했지만, 성능 저하 문제를 해결하지 못했다.

연구팀은 고해상도 전자현미경과 질소 흡착 분석, 전자 에너지 손실 분광 등 최첨단 분석 기법을 통해 양극재 입자 사이 미세한 기공에도 잔류 리튬 화합물이 결정질 형태로 존재한다는 것을 확인했다.

기존 통념과 달리 잔류 리튬이 표면뿐만 아니라 양극재 내부의 입자 사이에도 존재한다는 사실을 처음으로 밝혀냈다.

이에 잔류 리튬이 고체화될 수 있는 공간 형성을 원천적으로 막을 수 있는 단결정 구조의 양극재를 제안했다.

내부 입자 간 경계가 없거나 매우 제한적이어서 입자 간 틈이 발생하지 않아 기존 양극재보다 잔류 리튬 수치를 54% 낮출 수 있다고 연구팀은 설명했다.

차형연 박사는 "고니켈 양극재의 성능 열화를 근본적으로 이해하는 데 중요한 전환점을 제공한 것으로, 추후 양극재 설계 공정에 반영된다면 고에너지 밀도의 리튬이온배터리 개발에 기여할 것"이라고 기대했다.

jyoung@yna.co.kr

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