국내 연구진이 국제 공동연구로 리튬이온전지 에너지 밀도와 가격 경쟁력을 모두 높이는 새로운 전략을 제시했다.
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 서동화 신소재공학과 교수팀이 울산과학기술원(UNIST), 캐나다 맥길대와 값이 비싼 니켈·코발트 없이 에너지 밀도를 40% 향상시킨 고성능 차세대 리튬이온전지 양극을 개발했다고 1일 밝혔다.
망간 기반 양이온-무질서 암염(DRX) 양극재에 주목했다. 값싸고 매장량이 풍부한 망간·철 등을 사용하며 양극재 무게 기준 기존 삼원계양극재보다 높은 에너지 밀도(약 1000Wh/㎏)를 가질 수 있기 때문이다. 값비싼 니켈·코발트 없이 소재를 설계할 수 있어 차세대 리튬이온전지 양극재로 주목받고 있다.
그러나 양극재 비율이 90% 이상인 전극으로 전지를 만들면 전지 성능이 매우 낮고 급격하게 열화되는 문제가 있었다. 따라서 양극재 비율을 70%로 낮춰 전극을 만들어야 했는데, 이 경우 전극 수준에서 삼원계(약 740Wh/㎏)보다 오히려 낮은 에너지 밀도를 가지는 문제가 있었다.
연구팀은 전극 내 망간 기반 DRX 양극재 비율이 높을수록 전자 전달 네트워크가 잘 형성되지 않고, 충·방전 간 부피 변화율이 높을수록 네트워크 붕괴가 잘 일어나 전지 저항이 크게 증가한다는 것을 밝혔다.
연구에 따르면 망간 기반 DRX 전극 제조 시 '다중벽 탄소나노튜브(여러 개 농축 원통형 그래핀 층으로 구성된 나노튜브)'를 사용해 DRX 양극재의 낮은 전자전도도를 보완하고 충·방전 간 부피 변화를 견딜 수 있게 돼 전극 내 양극재 비율을 96%까지 높여도 성능이 열화되지 않았다.
이를 통해 니켈·코발트 없이 전극 무게 기준 약 1050Wh/㎏의 높은 에너지밀도를 보이는 차세대 리튬이온전지 양극을 개발했다. 리튬이온전지 양극 중 세계 최고 수준이며, 상용 삼원계 양극 대비 에너지밀도가 40% 향상된 수준이다.
또 DRX 양극재 내 망간 함량이 높을수록 전자전도도는 높지만, 동시에 부피 변화율도 높다는 상관관계를 발견했다.
서동화 KAIST 교수는 “상용화를 위해 풀어야 할 문제들이 아직 남아있지만 대 중국 의존도가 높은 니켈, 코발트 광물이 필요 없는 차세대 양극 개발 시 자원 무기화에 대비할 수 있고 리튬 인산철 양극 주도의 저가 이차전지 시장에서 우리 기업의 글로벌 경쟁력이 강화될 것으로 기대된다”고 말했다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
