[대학저널 온종림 기자] 한양대학교 에너지공학과 선양국(사진) 교수 연구팀이 코발트가 함유되지 않은 리튬이온 배터리 양극소재 개발에 성공했다.
6일 선 교수 연구팀에 따르면 양극소재를 사용한 배터리는 안정성·가격·성능을 모두 해결했다는 측면에서 미래형 배터리로 기대를 받고 있다.
코발트는 배터리 시장의 큰 축을 담당하고 있는 NCM(니켈·코발트·망간)과 NCA(니켈·코발트·알루미늄) 등 배터리 양극소재의 구성에 있어 필수 원소이다.
하지만 최근 환경오염과 특정 국가에 원료 의존도가 높고 가격이 계속 오르는 등의 문제로 차세대 리튬이온 배터리 구성에서 제거하려는 시도가 진행되고 있다.
선 교수 연구팀은 코발트가 없는 양극소재의 성공적 개발을 위해 코발트 제거가 배터리에 미치는 영향을 분석했다. 코발트가 제거된 배터리 양극소재는 구조적으로 매우 불안정해 충전 시 균열 현상을 보였다.
연구팀은 안정적이고 충전 시 균열문제를 해결하고자 ‘방사배열 막대형상 결정립(grain)’으로 구성된 양극소재를 만들었다. 특수 형상의 결정립은 양극소재의 부피 변화로 인해 발생하는 스트레스를 경감시키고, 리튬이온이 빠르게 확산할 수 있는 통로를 만들어 충전 시 균열 문제를 해결했다.
연구팀은 이어 코발트가 없는 양극소재의 결정구조적 불안정성을 해소하고자 리튬과 전이금속의 ‘교대배열 결정구조’를 제시했다. 교대배열 결정구조는 코발트의 부재로 인해 나타나는 결정구조의 적층결함(stacking fault) 문제를 완화해 결정구조적 안정성을 향상시켰고 기존 코발트의 역할을 대신했다.
나노영역에서부터 마이크로부문까지 맞춤형 공학설계가 적용된 새로운 무(無)코발트 양극소재는 반복적인 고속충전에도 높은 용량 유지율과 안정성을 보였다. 1회 충전으로 700~800 km 주행이 가능하고, 20년간 전지를 사용해도 성능이 유지될 것으로 예측됐다.
이번 연구 결과는 에너지 분야의 세계 최고권위 학술지 네이처에너지에 게재됐다.
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