"값싼 中 배터리 독주 돌파구"…선양국 교수팀, 차세대 양극재 개발

선양국 한양대 에너지공학과 교수. 한양대 제공.

국내 이차전지 연구 분야 권위자로 꼽히는 선양국 한양대 에너지공학과 교수 연구팀이 차세대 이차전지의 성능을 획기적으로 끌어올릴 수 있는 '고망간 무응력 양극 소재'를 개발했다. 

27일 한양대에 따르면 선 교수 연구팀은 배터리 성능의 4대 핵심 요소인 에너지 밀도, 수명 특성, 안전성, 가격 경쟁력을 동시에 개선할 수 있는 혁신적 양극 소재를 개발하고 연구결과를 국제학술지 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 공개했다.

기존 고망간계 양극재는 '과리튬계 양극재(LMR)'로 충방전 효율이 낮다. 급격한 전압 강하, 가스 발생, 저조한 수명 특성 등 한계도 있다.  

연구팀은 리튬과 전이금속(망간 포함)의 비율을 1대1로 맞추고, 망간 함량을 45% 이상으로 높인 소재를 개발했다. 연구팀이 개발한 소재는 기존 LMR보다 충·방전 효율이 높고, 전압이 안정적이고, 가스 발생이 줄고, 수명도 길다.

연구팀이 개발한 양극재는 4.6볼트(V) 이상의 높은 전압에서도 오래 쓸 수 있을 정도로 수명이 길다. 연구팀은 "나노 단위에서 리튬과 전이금속이 잘 섞인 안정적인 구조(QO 구조)가 만들어진 덕분"이라고 말했다.

일반적으로 많이 쓰이는 하이니켈 NCM 양극재는 충·방전을 여러 번 반복하면 내부 구조가 흔들리면서 부피가 약 6% 변한다. 부피와 내부 구조가 바뀌면 성능이 저하된다. 연구팀이 개발한 소재는 충·방전을 해도 구조가 거의 변하지 않고 안정적으로 작동하는 ‘무응력 양극재’로 평가된다.

특히 열이 과하게 쌓여 폭발로 이어지는 열폭주 현상이 시작되는 온도가 상대적으로 높아 배터리 화재 위험도 훨씬 낮다는 게 연구팀의 설명이다.

연구팀이 개발한 소재는 최근 시장 점유율을 빠르게 확대하고 있는 중국산 저가 인산철(LiFePO₄, LFP) 양극재보다 성능이 더 우수하다. 중량 기준 에너지 밀도가 40~65% 높고, 부피 기준 에너지 밀도는 120% 이상 높다. 

망간 함량이 높아 하이니켈 NCM 대비 30~40%의 원가 절감 효과가 예상된다. 에너지당 가격 역시 LFP보다 낮거나 비슷해 에너지 밀도, 가격, 안정성 측면에서 LFP를 능가하는 좋은 대안으로 평가된다. 

이번 연구 성과가 중국산 LFP의 독주 체제를 돌파하고, 차세대 에너지저장장치(ESS)와 전기차(EV) 시장에서 한국의 전략적 주도권 확보를 가능케 할 ‘게임 체인저’가 될 것이라는 기대가 크다.

연구팀은 "국내 배터리 산업이 원가 경쟁력과 성능 경쟁력 모두에서 중국을 압도할 수 있는 기반을 마련했다"며 "글로벌 에너지 저장 기술 패러다임 전환의 신호탄이 될 것"이라고 기대했다.

연구팀은 이번에 개발한 양극재의 상용화를 위해 LG에너지솔루션 및 현대자동차와 기술 협의를 진행하고 있다. 이를 통해 향후 고성능·저가격 전기차 및 ESS용 배터리의 공동 개발이 기대된다. 

선 교수는 “앞으로도 한국이 배터리 시장에서 글로벌 경쟁력을 회복하고 전략적 주도권을 확보할 수 있도록 연구를 지속하겠다”고 말했다. 

 

[정지영 기자 jjy2011@donga.com]