망간·알루미늄 대신 탄탈륨 등 새 금속 사용
농도구배 적용 안해도 안정적 형상, 네이처지 실려

1회 충전으로 700km를 주행할 수 있고 20년간 사용해도 성능이 그대로 유지되는 그야말로 괴물 배터리 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 기존 리튬이온배터리의 양극재에는 주로 니켈, 코발트, 망간, 알루미늄이 사용되는데 여기에 망간, 알루미늄 대신 탄탈륨 등 새 금속을 사용했다.

25일 한양대에 따르면 최근 선양국 에너지공학과 교수 연구팀은 이 같은 성능을 내는 리튬이온배터리 양극소재 원천기술에 대한 논문을 에너지 분야 세계 최고 권위 학술지인 ‘네이처 에너지 (Nature Energy IF: 46.495)’에 게재했다.

논문에 따르면 이번에 개발한 기술은 기존 배터리보다 성능이 월등히 뛰어나다. 전기차 1회 충전 시 600~700km 주행이 가능하고 2000회 충방전에도 90%의 안정적인 용량이 유지된다. 이는 20년 이상 사용할 수 있는 수준이다. 또한 10분 급속 충전도 가능하다.

이를 통해 3세대 전기차 시장이 본격화될 것으로 예상된다. 전기차 세대 구분은 1회 충전 기준으로 1세대 200km 미만, 2세대 320~500km, 3세대 500~700km 성능을 낸다.

배터리의 4대 구성요소 중 하나인 양극재는 리튬금속산화물로 구성돼 있다. 에너지밀도 및 수명에 가장 큰 기여를 하며 전기차 가격의 20% 이상을 차지하고 있어 전기차의 핵심소재라고 볼 수 있다. 양극소재의 에너지밀도와 수명향상은 전기차의 가격 절감과 주행거리와 사용기간 증대로 이어진다.

에너지밀도는 양극재 내 니켈 함량에 비례한다. 이 때문에 배터리 업계는 양극재 내 니켈 함량을 높여 전기차 주행거리를 향상시키는 데 초점을 맞추고 있다.

현재 상용화 되고 있는 양극재는 니켈 함량 60~80% 수준의 NCM(니켈, 코발트, 망간)과 테슬라에 사용되고 있는 NCA (니켈, 코발트, 알루미늄)가 있는데 니켈 함량이 많을 수록 양극재에 스트레스가 쌓이는 문제가 발생한다.

특히 마지막 20~30%의 용량을 충전하는데 급격한 스트레스가 발생하는 데 이것이 온전히 양극재에 축적된다. 양극재의 스트레스를 해소하기 위해 불가피한 미세균열이 발생한다. 이는 수명과 안정성을 급격히 하락시키는 원인이다.

따라서 전기차용 배터리는 본래 용량의 70~80%만 충전시킬 수 있도록 설계되고 나머지 용량은 버려지도록 돼 있어 비효율성이 발생하고 있다.

선양국 교수 연구팀은 이 같은 문제점을 해결하기 위해 두 가지 해결책을 제시했다. 첫 번째는 스트레스를 줄일 수 있는 ‘오더링 구조’이다. 상용 양극재에 높은 산화수를 갖는 금속 도핑을 통해 리튬과 전이금속의 자리바꿈을 유도했다.

사용 금속은 탄탈륨(Ta), 몰리브덴(Mo), 니오브(Nb), 텅스텐(W)이며 특히 탄탈륨을 사용했을 때 성능이 가장 우수한 것으로 나타났다.

기존 층상계 구조는 고전압까지 충전할 때 가장 불안정하다. 이 상태로 지속 사용하면 결정구조가 무너지는 현상이 생긴다. 이로 인해 전기차의 출력이 떨어지고 주행거리가 감소하는 문제가 발생한다. 새로운 오더링 구조는 충전 시에도 매우 안정적으로 결정구조를 유지하며 스트레스를 줄여주는 역할을 한다.

두 번째는 입자 형상이 막대모양(라드)으로 만들어지도록 양극재를 합성한 것이다. 이를 통해 스트레스가 축적돼도 견딜 수 있으며 농도구배 기술을 적용하지 않아도 된다.

두 해결책이 적용된 양극재는 100% 충전을 해도 미세균열이 생기지 않는다. 원자 및 입자형태 변환을 통한 마이크로 수준의 공학설계를 통해 높은 에너지 밀도를 유지하면서 안정적 수명특성을 갖는다.

선양국 교수 연구팀은 이를 ‘NCX’ K-양극소재로 부르고 있다. K-양극소재는 90~95% 니켈을 포함하고 있음에도 불구하고 본래 에너지밀도를 100% 활용 가능하다. 이는 버려지는 에너지가 없어 배터리의 가격 및 무게 절감 효과로 이어지고 1회 충전으로 600~700km의 주행이 가능해진다.

선양국 교수 연구팀의 연구는 높은 학술적 가치를 인정 받아 에너지분야의 세계 최고권위의 학술지 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 게재됐다.