현재 리튬이온이차전지 시장은 큰 틀에서 고가의 재료로 고성능을 발휘하는 NCM(니켈·코발트·망간)과 상대적으로 저성능인 저가 LFP(리튬·인산·철)로 나뉜다.

NCM은 에너지밀도가 높고 온도변화에 따른 성능저하도 LFP보다 상대적으로 우수하지만, 희귀금속인 니켈과 코발트를 사용해 제조단가가 높은 것이 단점이다.

KAIST는 신소재공학과 서동화 교수팀이 UNIST, 캐나다 맥길대와 공동연구로 니켈과 코발트 없이 에너지밀도가 40% 향상된 리튬이온전지 양극재를 개발했다고 1일 밝혔다.

양극제는 리튬이온전지의 용량과 출력을 결정하는 핵심으로, 지금까지 고가의 니켈, 코발트를 주 재료로 사용해 전지 생산원가의 40% 가까이 차지하고 있다.

공동연구팀은 양극재 소재로 망간 기반 양이온-무질서 암염(DRX) 양극재를 주목했다.

DRX 양극재는 값싸고 매장량이 풍부한 망간, 철 등을 재료로 사용하면서도 에너지밀도는 1,000Wh/㎏로 기존 삼원계양극재 770Wh/㎏보다 높다.

그러나 망간 기반 DRX 양극재는 비율이 90% 이상일 경우 전지 성능이 크게 저하될뿐만 아니라 급격하게 열화되는 문제가 있다. 

때문에 DRX 양극재 비율을 70%로 낮춰야 하고, 이 경우 에너지밀도는 700Wh/㎏로 삼원계양극제보다 떨어진다.
 
공동연구팀은 이 같은 원인으로 전극 내 망간 기반 DRX 양극재 비율이 높을수록 전자 전달 네트워크가 잘 형성되지 않고, 충전과 방전 간 부피변화율이 높을수록 네트워크 붕괴가 늘면서 저항이 증가하는 사실을 발견했다.

이에 공동연구팀은 망간 기반 DRX 전극 제조 시 ‘다중벽 탄소나노튜브’를 사용, DRX 양극재의 낮은 전자 전도도를 보완하고 충전과 방전 간 부피변화를 견뎌 전극 내 양극재 비율을 96%까지 올려도 전자 전달 네트워크와 전지 성능이 열화되지 않음을 확인했다.

이를 기반으로 에너지밀도가 1,050Wh/㎏로 현용 삼원계양극제 대비 40% 향상된 세계 최고 수준의 리튬이온전지 양극제를 개발했다.

아울러 DRX 양극재 내 망간 함량이 높을수록 전자 전도도는 높지만 동시에 부피 변화율도 높다는 상관관계를 발견, 망간 함량을 낮춰 부피 변화를 억제하면서 다중벽 탄소나노튜브로 전자 전도도를 높이는 차세대 리튬이온전지 양극제 설계전략을 제시했다.

서 교수는 “이번 연구는 중국 의존도가 높은 니켈, 코발트가 필요 없는 차세대 양극제 개발로 향후 자원 무기화에 대비할 수 있을뿐 아니라 리튬-인산철 주도 저가 이차전지 시장에서 새로운 글로벌 경쟁력이 확보할 수 있을 것”이라고 설명했다.

한편 이번 연구는 이은렬 UC버클리 박사후연구원, 이대형 KAIST 신소재공학과 박사과정이 공동 제1저자로, 박상욱 KAIST 신소재공학과 박사과정과  김호준 석사과정이 공저자로 참여했다. 

대덕특구=이재형 기자 jh@kukinews.com