[이데일리 김응열 기자] 한양대 연구팀이 코발트를 쓰지 않는 차세대 배터리 양극재의 성능 저하를 막을 수 있는 공정 전략을 개발했다.

한양대는 방진호 한양대 ERICA 에너지바이오학과 교수 연구팀이 차세대 배터리 소재로 주목받는 ‘코발트 프리 하이 니켈 코어·쉘 양극재’의 표면 불안정성을 유발하는 근본 원인을 세계 최초로 규명하고 이를 극복할 수 있는 공정 전략을 개발했다고 27일 밝혔다.

최근 전기차 배터리 시장에서는 코발트의 높은 가격과 환경 문제로 인해 이를 배제하고 망간이 풍부한 쉘을 적용한 하이 니켈 양극재가 차세대 소재로 주목받고 있다. 이론적으로는 니켈의 높은 용량과 망간의 구조적 안정성을 결합할 수 있지만 막상 상용화 단계에서는 예기치 않은 표면 불안정성과 급격한 용량 감소가 나타난다는 한계가 있다.

방 교수팀은 이러한 성능 저하의 원인이 합성 초기 단계인 ‘수산화물 전구체의 공기 노출’에 있다는 점을 밝혀냈다. 전구체가 산소가 풍부한 대기에 노출될 때 발생하는 자발적인 표면 망간 산화가 소성 과정에서 ‘얀-텔러 왜곡(Jahn-Teller distortion)’을 유도하고 결국 산소 결함이 풍부한 불안정한 표면층을 형성하게 된다는 것이다.

이렇게 변형된 표면 구조는 전해액의 화학적 분해를 가속화하는 촉매 역할을 하며 망간 용출을 유발하고 음극 성능까지 저하시키는 연쇄 반응을 일으킨다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 소성 과정에서 리튬 함량을 기존보다 10% 초과 상태로 합성하는 ‘리튬 보상 전략’을 해결책으로 제시했다. 이 방법을 적용하면 결함성 스피넬 상의 형성이 효과적으로 억제되고 망간-산소 간의 결합력이 복원돼 90% 이상의 용량 유지율과 높은 전기화학적 안정성을 동시에 확보할 수 있다.

방 교수는 “이번 연구를 통해 고에너지 배터리 시스템을 설계할 수 있을 것”이라고 말했다.