차세대 전기차 배터리의 핵심소재인 '하이 니켈 양극재'의 성능저하 문제가 해결됐다.
한국에너지기술연구원 울산차세대전지연구개발센터 진우영, 차형연 연구팀은 차세대 전기차 배터리의 핵심소재인 '하이 니켈 양극재'의 성능을 떨어트리는 '잔류 리튬 화합물'의 위치를 새로이 규명하고, 잔류 리튬을 최소화하는 설계 방안을 제시했다고 22일 밝혔다.
하이 니켈계 양극재는 전기차 등에 활용되는 차세대 리튬이온 배터리의 핵심소재다. 양극재의 니켈 함량이 높을수록 전지의 에너지 밀도가 올라가고 전기차의 주행거리가 향상된다. 하이 니켈 양극재는 80%에 달하는 높은 니켈 함량을 갖고 있어 차세대 전기차 시장의 핵심기술로 주목받고 있다.
하지만 니켈 함량이 늘어날수록 성능 저하가 일어나기 쉽다. 양극재 표면에 '잔류 리튬 화합물'이 과도하게 생성되고 전극 원료가 젤리처럼 굳어지는 슬러시 겔화 현상이 일어나는 것이다. 겔화 현상이 나타나면 가공 불가능한 상태가 된다.
이후 입자가 고르게 분포되지 않고 전극 물질간 접착력도 20%가량 줄어들어 전극의 완성도와 성능 저하를 일으킨다. 특히 이미 상용화된 양극재에서도 동일한 문제가 발생하고 있어 안정적인 생산과 활용을 위한 해결 방안이 필요한 상황이다.
잔류 리튬 화합물을 제거하기 위해 기존에는 잔류 리튬이 입자 표면에 존재한다고 판단해 표면을 증류수로 세정하는 수세 공정이나 외부를 코팅하는 방법을 활용했지만, 여전히 전지 성능 저하 문제는 해결되지 않았다.
연구진은 기존 통념과 달리 잔류 리튬이 입자 표면뿐 아니라 양극재 내부의 입자 사이에도 존재한다는 사실을 최초로 확인했다. 이를 통해 기존에 간과된 양극재 내부 구조가 배터리 성능과 수명 저하의 주요 요인 중 하나임을 규명하고 잔류 리튬 형성을 원천적으로 억제할 수 있는 설계 방향을 제안했다.
연구진은 고해상도 전자현미경, 질소 흡착 분석, 전자 에너지 손실 분광 등 최첨단 분석 기법을 활용해 양극재를 정밀 분석하고 입자간의 미세한 틈에 잔류 리튬 화합물이 결정질 형태로 존재하며 성능 저하의 주된 원인 중 하나임을 확인했다.
이 결과를 토대로 양극재 내부의 잔류 리튬 형성 억제를 위한 단결정 구조의 고니켈 양극재의 활용을 제안했다. 단결정 구조는 내부 입자 간 경계가 없거나 매우 제한적이기 때문에 입자 간 틈이 발생하지 않고 잔류 리튬이 고체화될 수 있는 공간을 차단할 수 있기 때문이다.
연구진은 고니켈 단결정 양극재를 활용할 경우 기존 양극재보다 잔류 리튬 수치를 54% 낮출 수 있어, 산업계와 학계의 목표인 잔류 리튬 화합물 2000ppm 이하 달성에 기여할 수 있을 것으로 전망했다.
진우영, 차형연 박사 연구팀은 "이번 연구는 기존에 표면 중심으로 접근해 왔던 잔류 리튬 문제를 입자 내부구조까지 확장해 정밀분석한 최초의 사례"라며 "고니켈 양극재의 구조 안정성과 성능 열화를 근본적으로 이해하는 데 중요한 전환점을 제공한 것으로 양극재 설계와 공정에 반영되면 향후 고에너지 밀도 리튬이온 배터리 시장 확대에 큰 역할을 할 것"이라고 밝혔다.
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