리튬 2차전지의 안전성을 획기적으로 높이면서 높은 용량을 유지할 수 있는 신개념 구조의 리튬 2차전지 양극재료가 개발됐다. 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 분야에서 한번 충전으로 더욱 먼 거리를 달릴 수 있는 새로운 2차 전지 개발이 앞당겨졌다.
한양대학교 선양국 교수팀은 현재 사용되고 있는 니켈계 양극재료의 높은 용량과 니켈코발트망간계 양극재료의 높은 안전성을 동시에 구현할 수 있는 ‘농도구배형(concentration-gradient) 구조’의 양극재료를 개발했다고 23일 밝혔다.
이번 연구 결과는 세계적인 재료과학 분야 학술지 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’의 온라인판 23일(한국시간)에 발표됐다.
개발된 양극 재료는 니켈계 양극재료 주변에 니켈코발트망간계 양극재료가 둘러싸여 있는 구조로 구성됐다. 입자 내부에서 외부까지 니켈과 코발트, 망간의 농도가 점차로 줄어들거나 늘어나는 등 연속적인 전이금속의 농도 분포를 갖고 있다. 현재 주로 사용되는 니켈계 양극재료는 용량은 크지만 폭발 위험성이 있어 최근에는 상대적으로 안전성이 높으면서 고가인 코발트와 망간 사용량을 증가시킨 니켈코발트망간계 양극재료를 사용중이다. 그러나 니켈코발트망간 재료를 사용한 리튬전지의 경우 용량을 키우는 데 한계를 나타내고 가격이 비싸다는 것이 단점이다.
논문의 제1 저자인 선 교수는 “개발한 양극재료는 내부입자의 고용량 특성과 외부입자의 고안전성 특성을 동시에 구현할 수 있을 뿐만 아니라 입자 내부에서 외부로의 급격한 농도차이로 인해 생기는 저항을 줄일 수 있어 수명특성까지 한층 향상시킬 수 있다”며 “한 입자에서 이 같은 구조를 실현한 것은 세계 최초”라고 설명했다.
선 교수는 “이 양극재료는 휴대폰과 노트북 등 소형전지뿐 만아니라 하이브리드 전기자동차, 전력저장 시스템용 대형전지까지 널리 이용될 수 있다”며 “더 나아가 연료전지, 태양전지 등 다른 차세대 에너지 시스템의 전극 소재 개발에도 새로운 방향을 제시할 것”이라고 덧붙였다.
유형준기자 hjyoo@etnews.co.kr