전기차 '꿈의 1000km' 시대 연다…DGIST 차세대 양극소재 개발

[재경춘고]

대구경북과학기술원(DGIST) 화학물리학과 박경수(52회) 교수팀, 가천대 박광진 교수팀이 전기차 리튬이온 배터리 핵심부품인 니켈리치 양극재의 성능 저하 원인을 찾아냈다.

양극재는 배터리 용량, 수명, 출력 특성, 안정성 등 주요 성능을 결정하는 중요한 물질이다. 리튬 이온을 저장하며 전기에너지를 전달하는 역할을 한다.

니켈 함량이 높은 NCM(Nickel Cobalt Manganese) 양극재는 기존 소재보다 더 많은 에너지를 담을 수 있어 전기차 주행거리를 크게 늘릴 수 있다.

하지만 니켈 함량이 많을수록 반복적인 충·방전 과정에서 입자 균열과 급격한 용량 감소가 발생하고, 다량의 가스배출로 안전성이 저하되는 문제점이 있다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 니켈리치 NCM 양극소재의 성능저하와 가스 발생 원인을 정밀 분석했다. 연구팀은 투과전자 현미경 분석, 표면 분석 기술 등을 통해 양극재 내부 변화를 관찰했다. 이를 통해 낮은 초기 충전 전압에서 표면에 나노 크기의 공극이 형성되며, 이로 인해 배터리 성능이 저하된다는 사실을 밝혀냈다.

연구팀은 또 기존의 복잡한 도핑이나 표면 처리 공정을 사용하지 않고도 초기 활성화 충전 전압을 높이는 간단한 방법으로 양극재의 구조적 붕괴를 방지할 수 있음을 입증했다. 초기 전압을 높게 설정하면 양극재 구조가 안정적으로 유지되며, 나노 균열이나 성능 저하를 방지할 수 있었다는 설명이다.

박경수(52회) 교수는 "이번 연구는 지금까지 불분명했던 니켈리치 양극소재의 성능저하 원인을 원자수준까지 규명하고, 이를 통해 양극소재의 고용량과 고안전성을 용이하게 확보할 수 있는 새로운 방안을 제시한 데 의의가 있다"며 "이를 기반으로 주행거리 1000 km 시대를 여는 차세대 리튬이온 배터리 개발에 기여할 것"이라고 말했다. 이번 연구성과는 세계적 학술지'ACS Nano' 1월 21일자 온라인판 게재됐다.