한국과학기술연구원(KIST·원장 윤석진)은 홍지현 에너지소재연구센터 박사팀이 고용량 망간 기반 스피넬 양극 소재가 가진 수명 저하 원인을 규명했다고 20일 밝혔다. 차세대 전기차 배터리로 망간 양극재 리튬배터리 상용화 가능성을 크게 높였다.
전기자동차 배터리에 들어가는 대부분 양극소재는 전이금속 중 60% 이상이 니켈로 이뤄진 층상구조 산화물이다. 니켈 층상구조 산화물은 에너지밀도가 높아 전기차 주행거리 확보에 유리하지만, 니켈 원자재 수급 불안정이라는 문제점이 있었다. 대안으로 니켈의 17분의 1 가격에 거래되는 망간 기반의 스피넬 양극재가 주목받는다. 다만 급격한 수명저하 현상이 상용화 걸림돌이었다.
망간 기반 스피넬 양극재는 이론적으로 니켈 기반 상용 양극재 수준 고밀도로 에너지를 저장할 수 있다. 금속 원자재 가격을 고려하면 가격당 에너지밀도는 2.8배에 달한다. 그러나 전지 전체 용량을 활용할 경우 급격한 수명 저하현상이 있어 실질적으로는 이론값의 75%정도로만 에너지를 저장할 수 있다. 그간 학계에서는 망간 기반 스피넬 양극재의 충·방전 과정에서 형성되는 3가 망간(Mn3+)이 소재 결정구조의 뒤틀림을 발생시켜 전해질로의 망간 용출을 야기하고, 이는 결국 양극재 수명저하의 원인이라는 것이 정설로 여겨졌다. 이에 따라 대부분 연구가 3가 망간 형성을 억제하는 데 집중됐다.
연구팀은 나아가 양극-전해질 계면 안정화를 통해 망간 기반 소재 수명을 획기적으로 개선할 수 있는 핵심전략도 함께 제시했다. 이 같은 전략의 예시로 무(無) 에틸렌 카보네이트 전해질(EC-free electrolyte) 도입으로 상용 전해질 대비 62% 수명 개선 사실을 증명했다. 이것은 현재까지 보고된 망간 기반 스피넬 양극 소재 성능 가운데 가장 우수한 용량과 출력이다.
홍지현 박사는 “이번 연구를 통해 KIST가 전기차 보급 확대 기폭제가 될 망간 기반 고에너지 양극소재의 상용화의 새로운 방법론을 제시했다”며 “학계와 산업계가 그간 많은 역량을 축적해온 니켈 기반 양극재의 계면 안정화 기술을 망간 기반 차세대 양극재에 적용하는데 집중한다면 미래 모빌리티 산업에서 우리 기업들이 한층 높은 경쟁력을 유지할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
