[이데일리 신하영 기자] 성균관대 연구팀이 차세대 리튬이온배터리의 핵심 후보로 꼽히는 ‘과리튬계 양극 소재(LMR)’의 성능 저하 원인을 규멍하고 이를 억제할 새로운 설계 전략을 제시했다.

성균관대는 김종순 에너지과학과 교수팀이 이러한 연구 성과를 거뒀다고 13일 밝혔다.

전기차 배터리 시장에서 주로 사용되는 양극 소재는 니켈(Ni)·코발트(Co)·망간(Mn)을 섞은 삼원계(NCM) 소재다. 하지만 코발트와 니켈은 가격이 비싸고 수급이 불안정하다는 단점이 있다.

반면 과리튬계 양극 소재는 값비싼 니켈·코발트 비중을 줄이는 대신 저렴한 망간 함량을 높여 가격 경쟁력이 뛰어나다. 이론적으로 저장할 수 있는 에너지 용량 또한 기존 소재들보다 훨씬 크다는 장점이 있다.

다만 이러한 잠재력에도 불구하고 과리튬계 소재는 배터리를 반복해서 사용할수록 전압이 떨어지고 에너지가 급감하는 ‘구조적 열화’ 문제로 상용화에 어려움을 겪어왔다.

연구팀은 이런 문제의 해법을 찾기 위해 장기간 사용 시 발생하는 구조 변화를 분석했다. 그 결과 배터리가 충전되고 방전될 때마다 구조적 변형이 누적돼 성능을 저하시킨다는 사실을 밝혀냈다.

연구팀은 이에 산소 공유결합 제어인자‘를 도입하는 전략을 세웠다. 이는 소재 내부의 산소 원자가 제자리를 지키도록 돕는 일종의 ’고정 장치‘ 역할을 한다. 이 기술을 적용한 결과 배터리 구동 중 산소 가스가 빠져나가는 현상을 막고 구조적 강직성을 제고, 100회 충·방전 이후에도 처음 용량의 93.4%를 유지하는 성과를 거뒀다. 이는 기존 소재 대비 수명이 약 30% 이상 향상된 수치다.

성균관대는 “연구팀이 개발한 신규 소재는 비용당 에너지 지표에서 기존 하이니켈 소재보다 2.6배 이상 우수한 수치를 기록하며 상용화 가능성을 입증했다”고 설명했다.

이번 연구는 한국연구재단 소재글로벌영커넥트 프로그램의 지원을 받아 수행했다. 연구 결과는 에너지 분야 국제 저명 학술지(Advanced Energy Materials)에 게재됐다.

김종순 교수는 “이번 연구는 과리튬계 양극 소재의 고질적인 문제인 구조 열화의 원인을 규명하고, 이를 제어할 해법을 제시했다는 데에 의미가 있다”며 “뛰어난 원가 경쟁력과 성능을 동시에 확보한 만큼 향후 전기차 등 대용량 에너지 저장 장치 분야 발전에 기여할 것으로 기대한다”고 밝혔다.