안정성·용량 두 배 향상된 리튬이차전지 소재 개발

[박계현기자] 국내 연구진이 안정성이 높고 용량도 큰 신개념 리튬이차전지용 양극소재를 개발했다.

한양대 선양국 교수가 주도한 연구팀은 최근 주목받고 있는 리튬이차전지의 우수한 안전성과 높은 에너지밀도를 동시에 구현하면서도, 바로 상용화할 수 있는 전체 농도구배 복합층 구조(Full Concentration Gradient Structure) 소재를 개발했다.

전체 농도구배 복합층 구조는 고에너지 밀도를 갖는 중심부에서 고안전성, 고출력을 갖는 표면층까지 니켈·코발트·망간의 조성이 연속적으로 바뀌는 구조이다.

현재 상용화되고 있는 리튬이차전지는 니켈(Ni)의 함량이 증가할 경우엔 에너지 밀도는 높지만 수명이 짧고 안정성이 낮으며, 망간(Mn)의 함량이 높을 경우엔 안정성이 높아도 에너지 밀도가 낮은 단점이 있었다.

이번에 개발된 신소재는 하나의 입자 중심부에서 표면부까지 전체 농도를 변화시켜 각 조성에서 갖는 장점만을 발현할 수 있다.

선양국 교수는 "현재 산업계에서 쓰고 있는 니켈·코발트·망간을 함께 침전시키는 방법을 이용해 내부엔 니켈의 함량이 높고 외부엔 망간의 함량이 높으며 안쪽으로 갈수록 조성이 선형적으로 변하는 기술을 개발했다"고 설명했다.

이번에 개발된 신개념 양극 소재는 현재 양극 소재 제조 공정으로 널리 사용되는 방법으로 제조돼 바로 상용화할 수 있다. 또 기존 리튬이차전지용 양극 소재(LiCoO2)와 삼성분계 양극 소재(약 470 Wh/kg)보다 안정성, 에너지 밀도 및 전지용량을 동시에 최대 2배 이상 향상시킬 수 있다.

리튬이차전지는 현재 휴대폰, 노트북 컴퓨터 등 휴대용 모바일기기에 폭넓게 사용되고 있다. 리튬이차전지는 하이브리드 전기자동차와 지능형 로봇 등의 동력원뿐만 아니라 태양광, 풍력 발전 등 신재생 에너지 분야에서도 주목 받고 있다.

그러나 신재생 에너지 분야에 사용되는 중대형 전지시스템에 적용하기 위해선 에너지 밀도를 높이고 우수한 안정성을 확보하는 문제가 남아있었다.

선양국 교수는 "이번에 개발된 신소재는 상용화가 용이해 향후 하이브리드 전기자동차나 전력저장 시스템용 중대형전지뿐만 아니라 차세대에너지 저장시스템의 전극 소재 개발에 중요한 기반이 될 것"이라고 말했다.

선양국 교수 연구팀은 지금까지 용량이 큰 양극 소재와 안정적인 양극 소재를 하나의 입자 속에 구현하기 위해 코어-쉘 구조(2006년, 미국화학회지), 농도 구배형(계단형) 구조(2009년, 네이처 머터리얼즈)의 양극 소재를 개발한 바 있다.

선양국 교수는 "코어-쉘 구조는 표면에만 함량 변화를 준 소재이며 농도 구배형은 함량 변화가 계단식으로 진행돼 저항이 크다는 장점이 있었다"며 "이번 연구를 통해 안정성·에너지밀도를 높이는데 가장 효과적인 결과를 도출했다"고 말했다.

이번 연구는 교육과학기술부(장관 이주호)와 한국연구재단(이사장 이승종)이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)과 지식경제부 에너지인력양성사업의 지원을 받았으며 '네이처 머터리얼즈' 10월 8일자에 실렸다.