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비싸지는 코발트 함량 낮춘 '고용량 배터리 소재' 개발 

조재필 UNIST 교수팀, 기존 양극 소재 대체 가능한 신물질 원천기술 개발
코발트 줄여도 용량 크고 안정적 유지
코발트가 비싸지면서 배터리 가격 문제가 대두되는 가운데 대안이 제시됐다.  

UNIST(총장 정무영)는 조재필 에너지·화학공학부 교수팀이 중대형 배터리에 적합한 양극 소재인 '리튬과잉 전이금속산화물'의 성능을 향상시킬 기술을 개발했다고 22일 밝혔다. 

이 기술로 합성한 양극 소재는 표면 처리가 필요 없고, 기존보다 오래 쓸 수 있다. 후공정이 단순하고, 코발트 함량을 줄여 가격도 절감할 수 있다. 

리튬과잉 전이금속산화물은 현재 알려진 양극 소재 중에 방전 용량이 가장 크다. 따라서 전기자동차나 대형에너지저장장치에 적합한 소재로 활용될 수 있다.  

이 산화물은 지속적인 충·방전 과정에서 작동 전압이 급격히 감소해 배터리 성능을 저하시킨다. 하지만 정확한 분석이나 원인 규명이 제대로 이뤄지지 않았다. 

연구팀은 리튬과잉 전이금속산화물의 미세구조를 바꿨다. 구조적으로 안정도화가 낮은 니켈이 미세구조 내에 많거나 무질서하게 존재하도록 설계했다. 또 고온에서 물질을 합성해 니켈 구조 안정화도를 낮췄다.  

새로운 기술로 합성한 '무질서 구조의 리튬과잉 전이금속산화물'은 전압강하율이 기존보다 82% 감소했다. 

또 전기 자동차나 대형 에너지저장장치에 주요 양극 소재로 사용되는 물질(NCM622, NCM811)에 비해 용량이 20% 이상 증가하고, 물질의 코발트 함량도 기존 보다 20% 이상 적게 사용됐다.

제1저자인 명승준 UNIST 이차전지 연구센터 박사는 "무질서한 원자 배열이 산소와 전이금속 간 결합성을 높여 리튬이 지속적으로 드나들어도 구조가 안정적으로 유지된다"며 "리튬 양이 많아져도 안정적으로 작동해 차세대 고에너지 양극 소재로 활용될 수 있다"고 설명했다.

조재필 교수는 "리튬과잉 전이금속산화물의 고질적인 문제였던 전압강하를 원자 배열의 무질서화로 개선했다"며 "가격경쟁력이 있고, 전체 공정이 비교적 간단해 대량생산도 가능할 것"이라고 말했다. 

이번 연구는 세계적인 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 지난 16일자 온라인판에 게재됐다. 연구는 울산광역시청과 산업통상자원부의 지원을 받아 이뤄졌다. 

기존 양극 소재와 새로운 소재의 공정과 조성 비교.<자료=UNIST 제공>기존 양극 소재와 새로운 소재의 공정과 조성 비교.<자료=UNIST 제공>
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