한양대, 코발트 없는 전기차 배터리 소재, 수명 저하 원인 찾았다

ERICA 방진호 교수팀, 하이니켈 양극재 표면 불안정성 규명
제조 초기 공기 노출이 성능 저하로 이어지는 과정 확인

[파이낸셜뉴스] 한양대 ERICA 연구진이 코발트를 쓰지 않는 차세대 전기차 배터리 소재의 성능 저하 원인이 제조 초기 단계의 공기 노출에서 시작된다는 점을 확인했다.

한양대학교 ERICA 에너지바이오학과 방진호 교수 연구팀은 코발트 프리 하이니켈 양극재가 충·방전 과정에서 빠르게 성능이 떨어지는 원인을 규명하고, 이를 줄일 수 있는 합성 공정 전략을 제시했다고 밝혔다.

코발트 프리 하이니켈 양극재는 가격 부담과 환경 문제가 제기되는 코발트를 쓰지 않거나 줄이면서도 배터리 용량을 높일 수 있는 소재로 주목받고 있다.

니켈 함량을 높여 에너지 용량을 확보하고, 망간이 풍부한 구조를 적용해 안정성을 보완하는 방식이다. 하지만 실제 적용 과정에서는 표면 구조가 불안정해지고 용량이 빠르게 줄어드는 문제가 있었다.

연구팀은 이 원인이 양극재를 만들기 전 단계인 수산화물 전구체가 공기에 노출되는 과정과 관련이 있다고 봤다. 전구체가 산소가 많은 공기에 노출되면 표면에서 망간이 산화된다.

이후 소성 과정에서 얀-텔러 왜곡이 발생하고, 산소 결함이 많은 불안정한 표면층이 형성된다는 설명이다. 얀-텔러 왜곡은 원자 배열이 비대칭적으로 변형되는 현상을 말한다. 이렇게 형성된 표면 구조는 전해액의 화학적 분해를 촉진하고 망간 용출을 일으킬 수 있다.

연구팀은 니켈 함량이 95% 이상인 소재에서 이 같은 표면 붕괴가 1000회 충·방전 동안 용량 저하 속도를 2배가량 높인다는 점도 확인했다.

이를 줄이기 위한 방안으로 연구팀은 소성 과정에서 리튬 함량을 기존보다 10% 초과해 합성하는 '리튬 보상 전략'을 제시했다.

이 방식을 적용하면 불안정한 표면 구조 형성이 억제되고 망간과 산소 간 결합력이 회복돼 90% 이상의 용량 유지율을 확보할 수 있었다고 연구팀은 설명했다.

방진호 교수는 "이번 연구는 기존 망간 안정화 양극재의 표면 불안정성의 숨겨진 기원을 밝힌 것"이라며 "리튬 보상 전략은 고에너지 배터리 시스템 설계와 차세대 전기차용 양극재 제조 공정의 품질 관리 지표로 활용될 수 있다"고 말했다. 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부와 교육부가 지원하는 한국연구재단 사업으로 수행됐다.

[e-mail] 이보미 기자