울산과학기술원(UNIST) 연구진이 중대형 배터리의 기능을 개선하고, 가격을 낮출 수 있는 기술을 개발했다.

26일 조재필 에너지 및 화학공학부 교수팀은 중대형 배터리에 적합한 양극 소재인 '리튬과잉 전이금속산화물'의 성능을 향상할 기술을 개발했다고 밝혔다.

이 기술로 합성한 양극 소재는 표면 처리가 필요 없고, 더 오래 쓸 수 있으며, 후공정이 단순하다. 특히 최근 가격이 오른 코발트(Co) 함량을 크게 줄여 가격경쟁력까지 높인다.

리튬과잉 전이금속산화물은 1ｇ당 250mAh(밀리암페어시)가 넘은 전기 에너지를 담는다. 현재 알려진 양극 소재 중 방전 용량이 가장 커서 전기자동차(EV)나 대형 에너지저장장치(ESS)에 적합한 소재로 주목받는다.

그러나 지속적인 충전과 방전 과정에서 작동 전압이 급격히 감소한다는 단점이 있다. 이는 배터리 성능을 크게 저하하는데, 이 현상의 원인은 아직 알려지지 않았다.

조 교수팀은 이런 한계를 극복하고자 리튬과잉 전이금속산화물의 미세구조를 바꿨다. 구조적으로 안정도화가 낮은 니켈을 미세구조 안에 많고 무질서하게 존재하도록 설계한 것이다.

그 결과 무질서한 원자 배열이 산소와 전이금속 간 결합성을 높여 리튬이 지속해서 드나들어도 구조가 유지됐다. 또 리튬양이 많아져도 안정적으로 작동해 차세대 고에너지 양극 소재로써 가능성을 입증했다.

이렇게 합성한 무질서 구조의 리튬과잉 전이금속산화물은 기존보다 전압 강하율이 82% 줄어들었다. 현재 EV나 ESS에 주요 양극 소재로 사용되는 물질보다 용량도 20% 이상 늘었다. 특히 이 물질의 코발트 함량도 20% 이상 줄어 가격 면에서도 경쟁력을 확보했다.

조 교수는 "이번에 개발한 양극 소재는 '저가형 고에너지 밀도 소재'로써 중대형 ESS에 성공적으로 적용할 수 있을 것"이라면서 "차세대 양극 소재 개발과 배터리 성능 저하를 이해하는 폭넓은 시각을 제공할 것으로 기대한다"고 밝혔다.

이 연구는 세계적인 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications) 16일자 온라인판에 게재됐다.

윤승훈 기자  press@jeonpa.co.kr

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