포스텍 조창신 교수팀, 무코발트 고니켈 양극재 내부 전체에 지지 구조 형성

전기차 배터리에도 ‘내진 설계’… 원자 기둥으로 충전 때 구조 붕괴 막았다
300회 충·방전 뒤에도 초기 용량 약 90% 유지… 수명·안전성 동시 향상

입자 전반 양이온 앵커링 구조가 고니켈 양극재 내부의 c축 변형을 억제하고 고전압 충·방전 과정에서 구조 안정성을 높이는 원리를 보여주고 있다. 포스텍 제공

충전을 반복할수록 내부 구조가 무너지는 전기차 배터리의 한계를 '원자 수준의 기둥'으로 해결할 수 있는 새로운 기술이 개발됐다.

포스텍 화학공학과·배터리공학과 조창신 교수와 배터리공학과 박사과정 오지웅 씨 연구팀은 전기차 배터리의 핵심 소재인 고니켈 양극재 내부에 구조를 지탱하는 원자 수준의 지지대를 만들어 안정성을 높이는 기술을 개발했다.

이번 연구 결과는 에너지 저장 분야 국제 학술지 '에너지 스토리지 머티리얼즈(Energy Storage Materials)'에 게재됐다.

지진에도 무너지지 않는 건물은 내부 곳곳에 튼튼한 기둥을 세워 흔들림을 견디도록 설계한다. 연구팀은 이 같은 원리를 전기차 배터리 양극재에 적용해 충·방전을 반복해도 구조가 쉽게 무너지지 않는 소재를 구현했다.

전기차 배터리의 성능은 양극재의 특성에 크게 좌우된다. 이 가운데 '고니켈 양극재'는 적은 양으로도 많은 에너지를 저장할 수 있어 전기차와 차세대 에너지저장장치의 핵심 소재로 주목받고 있다.

하지만 양극재에 니켈 함량을 높일수록 충·방전 과정에서 결정 구조가 불안정해져 배터리가 쉽게 손상되는 문제가 발생한다. 특히 높은 전압으로 충전하면 양극재 내부 원자 배열이 한쪽 방향으로 급격히 수축하고, 이 과정에서 산소가 빠져나오면서 미세한 균열이 생긴다. 이는 배터리 용량 감소와 수명 단축, 안전성 저하로 이어진다.

기존에는 몰리브덴(Mo)처럼 강한 양전하를 띠는 고원자가 원소를 넣어 양극재 구조를 붙잡는 방식이 활용됐다. 그러나 도핑한 원소가 주로 양극재 입자 가장자리인 입자 경계에 몰리면서 내부 구조까지 충분히 안정시키지 못했다. 건물 외벽만 보강하고 내부 골조는 제대로 손대지 못한 것과 비슷한 한계다.

연구팀은 양극재의 특정 부위만 보강하는 기존 방식에서 벗어나 입자 전체에 골고루 힘을 전달하는 방법을 개발했다.

연구팀은 양이온 계면활성제인 'CTAB(세틸트라이메틸암모늄 브로마이드)'을 이용한 공침 합성법을 통해 몰리브덴 이온(Mo⁶⁺)을 양극재 1차 입자 전체에 균일하게 퍼뜨렸다.

특히 열처리 과정에서 CTAB이 국소적인 환원 분위기를 형성하도록 해 몰리브덴이 결정 내부에 안정적으로 자리 잡도록 했다. 그 결과 양극재 내부의 니켈 이온이 리튬층 사이에 일정한 간격으로 배열되는 '양이온 앵커링(cation anchoring)' 구조가 형성됐다.

규칙적으로 배열된 니켈 이온은 건물 내부 곳곳에 세운 기둥처럼 작용한다. 배터리를 충전할 때 발생하는 결정격자의 수축을 입자 전체에서 붙잡고, 내부에 응력이 쌓이는 현상을 줄여 미세균열과 산소 방출을 억제한다.

분석 결과 이 같은 '원자 기둥' 구조는 입자의 일부가 아닌 전체에 걸쳐 고르게 형성된 것으로 확인됐다. 기존 연구에서 입자 일부에만 나타났던 양이온 앵커링 구조를 입자 전체로 확장한 최초의 구조 설계 전략이라는 점에서도 의미가 있다.

연구팀이 개발한 코발트 없는(Co-free) 고니켈 양극재는 높은 전압에서도 결정 구조가 쉽게 무너지지 않았다. 300차례 충전과 방전을 반복한 뒤에도 처음 용량의 약 90%를 유지했으며, 산소가 빠져나오면서 발생하는 가스의 양도 크게 줄었다.

고전압인 4.5V 조건에서 실시한 별도 성능 평가에서도 100회 충·방전 후 초기 용량의 91.4%를 유지해 우수한 구조 안정성과 충·방전 성능을 확인했다.

가격이 비싸고 자원 확보도 쉽지 않은 코발트를 사용하지 않고도 오래 사용할 수 있는 배터리를 만들 수 있다는 점은 전기차 산업에서도 의미가 크다. 배터리 생산 원가는 낮추면서 수명과 안전성은 높일 수 있는 가능성을 제시했기 때문이다.

이번 기술은 기존 공침 공정에 CTAB을 추가하는 방식으로 구현할 수 있어 대량생산 공정에도 비교적 쉽게 적용할 수 있다는 장점이 있다.

연구팀은 앞으로 대량생산 환경에 맞춘 공정 최적화와 장기 신뢰성 검증, 대형 배터리 셀에서의 성능·안전성 평가가 이뤄지면 상용화 가능성이 더욱 높아질 것으로 보고 있다.

또 입자 전체에 도핑 원소를 균일하게 분산하고 양이온 앵커링 구조를 만드는 이번 설계 방식은 몰리브덴뿐 아니라 다양한 도핑 원소에도 적용할 수 있다. 이에 따라 고성능·장수명 리튬이온전지 개발과 차세대 배터리 산업 경쟁력 강화에 활용될 것으로 기대된다.

조창신 교수는 "새로운 원소를 무작정 추가하는 방식에서 벗어나 양극재 내부의 원자 배열 자체를 정밀하게 제어해 소재의 안정성을 높였다"며 "차세대 고에너지 밀도 전기차 배터리의 수명과 안전성을 동시에 끌어올리는 새로운 설계 원리가 될 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 우수신진연구, 산업통상자원부 AI 및 실시간 측정 기술 과제, 한국산업기술진흥원 배터리특성화대학원 과제의 지원을 받아 수행됐다.