한양대 에너지공학과 선양국 교수 연구팀이 차세대 이차전지의 성능을 획기적으로 끌어올릴 수 있는 고망간 무응력 양극 소재를 개발했다.
뉴시스 보도에 따르면, 이번에 개발된 양극재는 배터리 성능의 4대 핵심 요소인 에너지밀도, 수명특성, 안전성, 가격 경쟁력을 동시에 개선할 수 있는 혁신적 소재다.
기존에 알려진 고망간계 양극재는 미국에서 처음 개발된 과리튬계 양극재(Li-rich Mn-rich cathode, LMR)로, 낮은 충·방전 효율과 급격한 전압 강하, 가스 발생, 저조한 수명 특성 등의 한계가 있었다.
이에 선 교수팀은 리튬 대 전이금속 비율이 1, 망간 함량이 45% 이상인 고망간계 양극재를 개발했다. 이 소재는 리튬 망간 산화물(Li₂MnO₃)이 발달하지 않아 기존의 기술적 한계를 극복했다.
해당 양극재는 나노 영역에서 리튬과 전이금속 간의 혼합 구조(quasi-ordered, QO structure)가 형성돼 구조 안정성을 갖췄으며 이에 4.6V 이상의 고전위 충·방전 조건에서도 높은 수명을 유지한다.
실제로 상용 하이니켈 NCM 양극재의 c축 상수 변화율이 약 6%인 데 반해, 이번 소재는 0%에 가까운 변화율을 보였다. 또한 열폭주 시작 온도가 높아서 전지 간 열전이 현상을 억제할 수 있다.
이 소재는 최근 시장 점유율이 급증하고 있는 중국산 저가격 인산철 양극재(LiFePO₄, LFP) 대비 중량당 에너지밀도가 40~65%, 부피당 에너지밀도가 120% 이상 높다.
경제성 측면에서도 망간 함량이 높아 하이니켈 NCM 대비 30~40%의 원가 절감 효과가 예상된다. 또한 에너지당 가격이 LFP보다 낮거나 동등해 에너지밀도·가격·안정성 모두에서 LFP를 능가하는 유일한 소재로 꼽힌다.
선 교수는 "앞으로도 우리나라가 배터리 시장에서 글로벌 경쟁력을 회복하고 전략적 주도권을 확보할 수 있도록 연구를 지속하겠다"고 밝혔다. 현재 연구팀은 현재 해당 양극재의 상용화를 위해 LG에너지솔루션, 현대자동차와 기술을 검토 중이다.
한편 이번 연구는 산업통상자원부 한국에너지기술평가원의 에너지인력양성사업 지원을 받아 수행됐으며, 관련 논문은 세계 최고 권위의 에너지 분야 학술지 '네이처 에너지(Nature Energy, IF: 60.1)'에 지난 26일 게재됐다.
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