입력2023.03.31. 오전 10:22

UNIST, 단결정 형태 니켈리치양극 소재 합성법 개발
“기존 공정 대비 가격 30% 이상 절감”
200회 충·방전 후에도 기존 용량 92% 유지

 

조재필 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 특훈교수 공동연구팀이 개발한 액화 리튬염-전이금속 나노입자 복합체 활용 합성법 모식도. /UNIST

전기차 주행거리를 30% 이상 늘릴 수 있는 니켈리치양극과 리튬·망간리치양극 소재의 공정비를 절감하고 효율을 높일 수 있는 단결정 입자 합성법이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST)은 조재필 에너지화학공학과 특훈교수와 쥐 리(Ju Li) 미국 매사추세츠공과대학(MIT) 교수 공동연구팀이 액화 리튬염-전이금속 나노입자 복합체를 활용해 완전한 형태의 단결정 입자를 만들 수 있는 원천기술을 개발했다고 31일 밝혔다.

대용량 배터리 양극 소재인 니켈리치양극소재는 고용량 발현이 가능하지만, 충·방전을 반복하면 입자 내부에 미세 균열이 생겨 수명이 급격히 줄어든다. 양극 소재가 ㎚(나노미터·10억분의 1m) 단위의 입자들이 뭉쳐진 ‘다결정 형태’이기 때문에 발생하는 문제다. 다결정 소재는 배터리를 제조할 때 쉽게 부서지고, 배터리 내에 불필요한 반응을 촉진한다. 이에 가스 발생이 늘고, 충·방전 주기에도 영향을 줘 수명이 감소한다.

단결정 형태로 양극재를 만들면 다결정 형태에서 발생하는 문제를 해결할 수 있다. 하지만 다결정 형태보다 30% 이상 가공비가 비싸다는 단점이 있다. 전기차 한 대에서 양극 소재의 가격 비중은 15% 차지하고, 이중 가공비가 2.25% 정도이다. 전기차가 가격 경쟁력을 갖추기 위해선 양극 소재 가공비를 최대로 낮추는 것이 중요한 이유다.

연구팀은 효율적인 단결정 입자를 만들기 위해 공융 조성(Eutectic Composition) 방법으로 리튬질산염과 리튬수산염, 다결정 전이금속 전구체를 일정한 비율로 합쳤다. 이 물질들은 공·자전 혼합기로 1분당 2000회의 속도로 12분간 섞였다. 이 과정에서 열로 녹은 분말들은 다결정 입자의 경계면에 침투하고, 액화 리튬염-전이금속 나노입자 복합체로 만들어진다. 연구팀은 이 복합체를 800도 미만의 열에 10시간 동안 가열해 ㎛(마이크로미터·100만분의 1m) 단위의 완전한 단결정 형태로 만들었다.

새로 개발한 기술은 니켈리치양극뿐 아니라 리튬·망간리치양극 소재에도 적용할 수 있다. 리튬·망간리치양극은 망간이 60% 이상 포함된 물질로, 리튬의 함량도 전이금속보다 높아 고용량을 구현할 수 있는 소재다. 망간 함량이 높으면 열처리 온도가 높아지는데, 연구팀은 새로 개발한 합성법으로 망간 함량이 높은 소재도 단결정 형태로 합성이 가능한 것을 확인했다.
 

조재필 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 특훈교수 공동연구팀이 개발한 단결정 소재와 다결정 소재 성능 비교. /UNIST
연구팀은 새로운 가공법을 적용한 단결정 양극 소재와 일반 공정으로 합성한 다결정 소재를 비교했다. 그 결과, 단결정 양극 소재는 200회 충·방전 후에도 기존 용량의 92%를 유지했고, 다결정 소재보다 12% 향상된 수명 유지율을 보였다. 가스 발생량과 저항 증가율도 30% 이상 개선된 결과를 보였다.

조재필 교수는 “현재 상용화가 진행 중인 니켈리치양극 소재는 여러 번의 가열로 생산비용 상승 문제가 있다”며 “새로 개발된 합성법을 적용한 양극재로 대량 합성공정을 만들면, 기존 단결정 공정 대비 30% 이상의 비용 절감이 가능할 것으로 기대된다”고 말했다.

연구성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 이달 30일 게재됐다.

참고 자료

Nature Energy, DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-023-01233-8
 

송복규 기자 bgsong@chosunbiz.com

기자 프로필