선양국 한양대 교수, 혁신적 고망간 무응력 양극 소재 개발... ‘네이처 에너지’ 게재

고에너지밀도·저가격·장수명·고안정성 잡은 꿈의 이차전지

한양대 선양국 교수

한양대학교는 에너지공학과 선양국 교수 연구팀이 차세대 이차전지의 성능을 획기적으로 끌어올릴 수 있는 고망간 무응력 양극 소재를 개발했다고 26일 밝혔다. 이번에 개발된 양극재는 배터리 성능의 4대 핵심 요소인 에너지밀도, 수명특성, 안전성, 가격 경쟁력을 동시에 개선할 수 있는 혁신적 소재로 평가된다.

기존에 알려진 고망간계 양극재는 미국에서 처음 개발된 과리튬계 양극재(Li-rich Mn-rich cathode, LMR)로, 낮은 충·방전 효율과 급격한 전압 강하, 가스 발생, 저조한 수명 특성 등의 한계를 지닌다. 이러한 한계를 극복하기 위해 선 교수팀은 리튬 대 전이금속 비율이 1, 망간 함량이 45% 이상인 고망간계 양극재를 개발했다. 이 소재는 Li₂MnO₃가 발달하지 않아 기존의 기술적 한계를 극복했을 뿐만 아니라, 전량 국내 연구진이 독자 개발한 ‘한국형 고망간 양극’으로 국내 배터리 산업의 글로벌 경쟁력 회복과 전략적 주도권 확보에 크게 기여할 것으로 기대를 모으고 있다.

해당 양극재는 4.6V 이상의 고전위 충·방전 조건에서도 높은 수명을 유지한다는 특성을 갖는다. 이는 나노 영역에서 리튬과 전이금속 간의 혼합 구조(quasi-ordered, QO structure)가 형성되어, 우수한 구조 안정성을 갖추었기 때문이다. 실제로 상용 하이니켈 NCM 양극재의 c축 상수 변화율이 약 6%인데 반해, 이번 소재는 0%에 가까운 변화율을 보여 무응력 양극재로 평가받고 있다. 또한 열폭주 시작 온도가 높아서 전지 간 열전이 현상을 억제할 수 있어 배터리 소재로써 화재 위험이 현저히 낮다.

개발된 무응력 양극재의 셀 성능을 일반 양극재의 셀 성능과 비교한 자료로, 무응력 양극재의 높은 에너지밀도와 수명특성이 특징적임.

이 소재는 최근 시장 점유율이 급증하고 있는 중국산 저가격 인산철 양극재 (LiFePO₄, LFP) 대비 중량당 에너지밀도가 40~65%, 부피당 에너지밀도가 120% 이상 높다. 경제성 측면에서도 망간 함량이 높아 하이니켈 NCM 대비 30~40%의 원가 절감 효과가 예상된다. 에너지당 가격이 LFP보다 낮거나 동등하여 에너지밀도·가격·안정성 모두에서 LFP를 능가하는 유일한 소재로 꼽힌다. 업계에서는 이 기술이 중국산 LFP 양극재의 강세를 돌파하고, 차세대 에너지저장장치 (ESS) 및 전기자동차 (EV) 시장에서 전략적 주도권을 확보하는 ‘게임 체인저’가 될 것으로 기대하고 있다. 나아가 이 성과는 국내 배터리 산업이 원가와 성능 두 분야에서 모두 중국을 압도할 수 있는 가능성을 제공하며, 글로벌 에너지 저장 기술 패러다임 전환의 신호탄이 될 것으로 전망된다.

선양국 교수는 “앞으로도 우리나라가 배터리 시장에서 글로벌 경쟁력을 회복하고 전략적 주도권을 확보할 수 있도록 연구를 지속하겠다”고 밝혔다.

연구팀은 현재 해당 양극재의 상용화를 위해 LG에너지솔루션 및 현대자동차와 기술을 검토 중이다. 이를 통해 향후 고성능·저가격 전기차 및 ESS용 배터리의 공동 개발이 기대된다.

이번 연구는 산업통상자원부 한국에너지기술평가원의 에너지인력양성사업 지원을 받아 수행됐으며, 관련 논문은 세계 최고 권위의 에너지 분야 학술지 '네이처 에너지(Nature Energy, IF: 60.1)'에 26일 게재됐다. 해당 논문 'Zero-Strain Mn-Rich Layered Cathode for Sustainable and High-Energy Next-Generation Batteries'에는 박건태 박사가 제1저자로, 한양대 선양국 교수가 교신저자로 참여했다.