POSTECH(포항공과대학교) 배터리공학과·신소재공학과 연구팀이 차세대 전기차 배터리 소재로 주목받는 망간계 양극 소재의 수명 단축 원인을 밝혀냈다. (좌측부터) 홍지현(교신저자, POSTECH), 박규영(교신저자, POSTECH), 임국현(제1저자, (전)POSTECH (현)케임브리지대학, 영국), 이호준(제1저자, POSTECH)./사진-포스텍

[투어코리아=김교환 기자] POSTECH(포항공과대학교) 연구팀이 차세대 전기차 배터리 소재로 꼽히는 망간계 양극재가 충·방전을 반복할수록 성능이 떨어지는 원인을 '산소 방출'에서 찾아내고, 이를 오히려 수명 개선에 활용하는 설계 전략을 내놨다.

POSTECH 배터리공학과 홍지현 교수와 배터리공학과·신소재공학과 박규영 교수 연구팀은 이 같은 연구 결과를 에너지 분야 국제학술지 '에너지 & 환경과학(Energy & Environmental Science)'에 영국 현지 기준 지난 22일 앞속표지 논문으로 게재했다. 논문은 편집진이 뽑은 게재 상위 10% 논문(Hot article)에도 선정됐다. 임국현 박사(현 영국 케임브리지대)와 이호준 포스텍 신소재공학과 통합과정생이 공동 제1저자로 참여했다.

연구 대상인 리튬과잉층상구조소재(LMRO)는 전이금속의 55% 이상을 망간으로 채운 양극재다. 고가의 니켈과 코발트 사용량을 줄이면서도 기존 니켈 기반 양극재보다 에너지 밀도가 약 20% 높아, 가격 경쟁력을 앞세운 중국산 리튬인산철(LFP) 배터리에 맞설 소재로 주목받아 왔다.

문제는 충·방전을 거듭할수록 용량과 작동 전압이 함께 떨어진다는 점이었다. 그동안 원인 규명 연구가 이어졌지만, 연구마다 관찰된 최종 구조가 달라 구조 변화를 좌우하는 핵심 요인을 특정하지 못했다.

포스텍 홍지현·박규영 교수팀은 리튬과잉층상구조소재(LMRO) 열화 메커니즘을 밝혀냈다. 연구팀이 수백 회에 걸친 충·방전 과정에서 양극재 내부 변화를 추적한 연구 데이터./사진-포스텍

연구팀은 수백 회에 걸친 충·방전 과정에서 양극재 내부 변화를 추적했다. 그 결과 층층이 규칙적으로 배열돼 있던 리튬과 전이금속이, 충전 과정에서 산소가 빠져나가면서 서로 자리를 넘나들며 섞이고 결국 불규칙한 '무질서 암염 구조'로 바뀐다는 사실을 확인했다. 방출된 산소의 양이 뒤섞임의 정도를 결정한다는 것이다.

충전 깊이도 변수로 확인됐다. 높은 전압까지 깊게 충전할수록 산소가 더 많이 빠져나가고, 산소가 떠난 빈자리인 '산소 공공'이 쌓이면서 결정 구조가 변하는 경로가 달라졌다. 연구팀은 양극재 표면 안정성과 작동 온도 같은 외부 조건으로 충전 깊이를 조절할 수 있음을 검증했다.

연구팀은 구조 변화를 무조건 막는 대신 산소 공공 농도를 정밀하게 조절하는 방식을 택했다. 그러자 새 구조에서 리튬이 드나드는 통로가 넓어졌고, 산소 방출량을 제어한 소재는 200회 이상 충·방전 후에도 초기 성능의 98.4%를 유지했다. 피해야 할 노화 현상으로 여겨온 구조 변화를 설계 수단으로 바꿀 수 있다는 점을 입증한 셈이다.

홍지현 교수는 "배터리 구동 온도나 표면 환경을 조절하는 것만으로도 열화를 늦추고 수명을 늘릴 수 있다"며 "산소 손실을 조절해 무질서화를 촉진하거나 억제하는 방식으로 용도에 맞는 전기차 배터리를 설계할 수 있을 것"이라고 말했다.

박규영 교수는 "정밀 소재 분석과 계산 과학을 결합해 20년간 풀리지 않던 문제를 해결했다"며 "배터리공학과 안에서 인적 교류와 협력을 장려하는 연구 환경이 결정적 역할을 했다"고 밝혔다.