한국에너지기술연구원(원장 이창근) 연구진이 차세대 전기차 배터리 핵심 소재인 '하이 니켈 양극재'의 성능 저하 난제를 해결했다.

에너지연은 진우영·차형연 울산차세대전지연구개발센터 박사팀이 하이 니켈 양극재의 고질적 문제인 '잔류 리튬 화합물' 위치를 규명하고, 이를 최소화하는 설계 방안을 제시했다고 22일 밝혔다.

양극재 니켈 함량이 높을수록 전지 에너지 밀도가 올라가고 전기차 주행거리가 향상되는데, 하이 니켈계 양극재는 니켈 함량이 80%에 달한다. 차세대 전기차 시장 핵심 기술이다.

다만 니켈 함량이 늘어날수록 양극재 표면 잔류 리튬 화합물이 생성이 많아지고, 전극 원료가 젤리처럼 굳는 겔화 현상이 일어난다. 입자가 고르게 분포되지 않고, 전극 물질 접착력도 20%가량 줄어들어 성능 저하를 일으킨다.

잔류리튬 화합물

기존에는 잔류 리튬이 입자 표면에 존재한다고 판단, 표면을 증류수로 세정하는 수세 공정이나 외부 코팅법을 썼는데, 여전히 성능 저하 문제는 해결되지 않았다.

연구진은 기존 통념과 달리 잔류 리튬이 양극재 내부 입자 사이에도 존재함을 최초 확인했다. 기존 간과된 양극재 내부 구조가 배터리 성능, 수명 저하 요인임을 규명하고 잔류 리튬 원천 억제 설계 방향을 제안했다.

고해상도 전자현미경, 질소 흡착 분석, 전자 에너지 손실 분광 등 첨단 분석법으로 양극재를 정밀 분석해 잔류 리튬 화합물이 입자 간 미세한 틈에 결정질 형태로 존재하며 주된 성능 저하 원인이 됨을 확인했다.

이를 토대로 양극재 내부 잔류 리튬 형성 억제를 위한 단결정 구조 고니켈 양극재 활용을 제안했다. 단결정 구조는 내부 입자 간 경계가 없거나 매우 제한적이어서 잔류 리튬이 고체화될 공간을 차단할 수 있다.

연구진은 고니켈 단결정 양극재를 활용할 경우 기존 양극재보다 잔류 리튬 수치를 54% 낮출 수 있어, 산업계·학계 목표인 잔류 리튬 화합물 2000PPM 이하 달성에 기여할 수 있을 것으로 전망했다.

진우영·차형연 박사는 “기존에 표면 중심으로 접근했던 잔류 리튬 문제를 입자 내부 구조까지 확장해 정밀 분석한 최초 사례”라며 “양극재 설계와 공정에 반영되면 고에너지 밀도 리튬 이온 배터리 시장 확대에 큰 역할을 할 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 글로벌 TOP 전략연구단 지원사업과 원천기술개발사업 지원을 받아 수행됐으며, '저널 오브 머티리얼즈 케미스트리 A' 2월호 표지 논문으로 선정됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com

Copyright © 전자신문. 무단전재 및 재배포 금지.