차세대 전고체리튬이온전지용 고니켈 양극의 수명과 출력을 동시에 높일 수 있는 입자 설계 기술이 개발됐다.

국립부경대학교 신소재시스템공학과 김남형 교수 연구팀과 한국에너지기술연구원 차형연 박사 연구팀은 전고체전지용 고니켈 양극의 나노·마이크로 구조를 함께 설계하는 ‘멀티 스케일 구조 설계 전략’을 통해 성능과 내구성을 동시에 확보하는 데 성공했다고 14일 밝혔다.

전고체전지는 전기차와 대용량 에너지저장장치용 차세대 배터리로 주목받고 있지만, 안정성과 출력, 수명 면에서 한계가 있었다. 연구팀은 고니켈 NCM 양극 소재가 액체전해질에서는 안정적으로 작동하지만, 황화물계 고체전해질을 쓰는 전고체전지에서는 용량이 약 20% 줄고 반응이 고르지 않게 나타나는 점에 주목했다.

기존 다결정 양극 입자는 충·방전 과정에서 구조 변화가 원활하지 않아 일부 입자만 반응하는 문제가 있었고, 높은 압력에서는 균열과 불균일 접촉으로 반응하지 않는 이른바 ‘죽은 영역’이 생겼다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 입자 내부에 쌍정 결함을 도입해 리튬 이온 이동 통로를 넓히고, 여러 1차 입자가 뭉친 다결정 대신 입자 전체가 하나의 결정으로 이뤄진 단결정 고니켈 NCM을 적용했다. 그 결과 초기 방전 용량은 약 197mAh/g를 기록했고, 100회 충·방전 뒤에도 90% 이상의 용량을 유지했다.

김남형 교수는 “전고체전지 환경에 최적화된 양극 구조 설계의 새로운 방향을 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 말했다.

이번 연구 성과를 담은 논문은 재료과학 분야 상위 5% 국제학술지인 ‘에너지 스토리지 머티리얼스(Energy Storage Materials)’에 게재됐다.