서울대학교 공과대학은 강기석·박정원 교수 연구팀이 리튬이차전지 차세대 양극 소재로 전 세계적인 주목을 받는 하이 니켈(high-Ni) 양극 소재의 합성 비밀을 밝혀내고, 저품질 합성 원인을 규명했다고 22일 밝혔다.

전기자동차 보급과 시장이 확대되면서 전기자동차용 이차전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있는 가운데, 전기자동차의 주행거리를 늘리면서 가격을 낮추려면 저가이면서 고용량인 전지 소재 개발이 중요한 화두로 떠올랐다.

하이 니켈(high Ni) 양극 소재는 니켈-코발트-망간을 함유한 층상계 소재 중 가격이 비싼 코발트 사용을 최소화하면서, 용량을 극대화할 수 있는 차세대 양극 소재로 주목받고 있다. 하이 니켈 양극 소재는 에너지 밀도도 높고 가격 경쟁력도 우수하지만, 소재의 안정성이 높지 않아 합성이 까다롭고, 수명 특성이 저조한 문제가 있다.

특히 합성 결과 나타나는 입자의 모양이나 구조 결함 등이 성능에 중요한 영향을 미치지만, 이런 현상들이 합성 과정에서 왜 발생하는지, 또한 어떻게 극복할 수 있는 등은 베일에 가려졌다. 현재까지 이런 차세대 양극 소재의 합성과 개발은 경험과 시행착오를 거치며 이뤄져 왔다.

강기석·박정원 교수 연구팀은 최첨단 실시간 전자현미경 분석을 이용해 양극 소재의 합성 반응을 직접 관찰하는 데 성공했다. 관찰한 결과, 합성 조건/전구체(precursor)에 따라 반응이 불균일하게 일어나며, 이런 현상이 합성 상의 부산물 형성, 구조 결함 발생으로 이어지는 사실을 밝혀냈다.

또한 균일한 반응이 일어나도록 전구체 종류 등 합성 조건을 조절하면 구조 결함 형성을 억제할 수 있다는 점을 규명했다.

이번 연구 결과는 첨단 분석법을 이용해 그간 풀리지 않던 문제를 해소했다는 점에서 학계에 큰 반향을 일으키고 있다. 앞으로 산업계에서 양극 소재 합성 개발에 다양하게 응용 활용될 것으로 기대된다.

또한 하이 니켈 양극 소재를 고품질로 만들 수 있는 합성 기술의 실마리를 제시했다는 점에서 차세대 저가/고용량 이차전지 개발에도 박차를 가할 수 있을 것으로 예상된다.

이번 연구 결과는 이 같은 성과를 인정받아 화학 분야 세계적인 학술지인 ‘네이쳐 케미스트리 (Nature Chemistry)’에 게재됐다.

한편 이번 연구는 강기석 서울대학교 교수와 박정원 교수 연구팀의 주도로 한국표준과학연구원 등 국내 여러 연구기관과의 협업을 통해 이뤄졌다.

헬로티 김진희 기자