국내 대학 연구진이 전기차와 에너지저장장치(ESS)에 적용할 수 있는 차세대 리튬이온전지 양극재 설계 기술을 개발했다. 급속 충·방전과 저온 환경에서 발생하는 성능 저하를 줄이면서 출력과 수명을 높일 수 있는 기술로, 차세대 배터리 개발에 활용될 것으로 기대된다.

건국대학교는 최원창 화공생명에너지공학부 교수 연구팀이 리튬망간철인산염(LMFP) 양극재 표면에 탄탈럼(Ta)을 선택적으로 도입하는 ‘표면집중형 도핑’ 기술을 개발했다고 6일 밝혔다.

리튬망간철인산염은 기존 리튬인산철(LFP)보다 에너지밀도가 높아 차세대 양극재로 주목받고 있다. 하지만 실제 전기차와 ESS에서는 급속 충·방전과 저온 운전, 장기간 사용 과정에서 성능이 저하되는 한계가 있었다.

연구팀은 양극재 입자 전체를 도핑하는 기존 방식 대신 전극 반응이 집중되는 표면만 선택적으로 제어하는 새로운 설계 전략을 적용했다. 탄탈럼이 입자 표면에 집중되도록 설계해 구조 안정성을 높이고 리튬이온 이동 경로를 개선함으로써, 소재 내부 변형은 최소화하면서 성능 저하가 시작되는 계면을 안정화했다.

성능 평가 결과 개발한 양극재는 고율 충·방전과 고온·고충전 저장 조건에서 모두 용량 유지율이 향상됐으며 출력 특성과 장수명, 저장 안정성을 함께 확보한 것으로 나타났다.

연구팀은 이번 기술이 리튬망간철인산염뿐 아니라 다양한 망간계·인산염계 양극재에도 적용할 수 있어 저온 환경에서의 전기차 성능 저하를 줄이고 급속충전 성능과 ESS의 안정성을 높이는 데 활용될 것으로 기대했다.

최원창 교수는 “이번 연구는 리튬망간철인산염 양극재의 성능 저하가 집중되는 표면을 정밀하게 제어해 급속 충·방전과 저온 환경에서의 한계를 완화할 수 있음을 보여준 성과”라며 “차세대 리튬이온전지 양극재 개발을 위한 새로운 소재 설계 방향을 제시했다”고 말했다.

이번 연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘Small’에 게재됐다.