UNIST·맥길대·MIT 연구진, 무질서 암염소재 설계 원리 찾아
기존 전국소재 설계 원리 뒤집어
UNIST 교수를 포함한 국제 공동연구팀이 차세대 전기차 배터리 소재로 주목받는 '무질서 암염 물질'의 설계 원리를 새롭게 제시했다. 기존 이론을 뒤집은 것으로 초저가 리튬이온배터리 개발에 탄력을 줄 전망이다.
서동화 UNIST 에너지화학공학과 교수와 이진혁 캐나다 맥길대 재료공학부 교수, 쥐 리 미국 MIT대 교수 공동연구팀은 고성능 무질서 암염 전극 설계 원칙으로 통용되던 '리튬 과잉 조성' 원리가 특정 무질서 암염 소재에는 적용되지 않는다는 사실을 처음으로 밝혀냈다.
리튬 비율을 고가의 전이금속 대비 35%이상 높게 설계하는 '리튬 과잉 조성' 원리는 전극 성능은 높이지만 수명을 줄인다고 알려져 왔다.
공동 연구팀은 이 원칙을 뒤집는 물질을 찾았다.
코발트, 니켈 등 고가 희귀금속을 다량 포함한 양극재는 전기차 배터리(리튬이온전지) 셀 가격의 20% 이상을 차지한다. 이로 인해 매장량이 풍부한 망간, 철 등을 많이 포함한 무질서-암염 소재가 새로운 양극재로 주목받아왔다. 상용소재 대비 용량도 30~50% 더 늘릴 수 있어 전기차 뿐만 아니라 신재생에너지 발전 저장 소재로도 적합하다.
문제는 무질서 암염 양극재는 수명이 짧다는 점이다. 양극 소재 용량을 끌어 올리려면 리튬 함량을 높여야 하는데 소재 내 리튬 함량이 높으면 불안정한 산소가 전극 밖으로 새나가 전지 수명을 줄인다.
연구팀은 망간, 바나듐 같은 특정 금속 기반 무질서 암염 소재의 경우 리튬 함량을 줄여도 고용량 전극 성능을 그대로 유지하고, 수명도 기존 대비 2배 이상 높다는 사실을 밝혀냈다. 리튬 함유량을 달리 한 두 종류의 망간 기반 무질서 암염 소재를 이용한 실험과 밀도범함수 이론 기반 양자역학 모델링 기법을 통해 이 같은 사실을 확인했다.
서동화 교수는 “전기차 이용과 신재생 에너지 발전량 증가로 인해 보다 값싸고 용량이 큰 배터리 소재에 관심이 높다”면서 “고가의 배터리 양극소재를 값싼 무질서 암염소재로 대체할 수 있는 길을 열었다”고 말했다.
이번 연구는 한국연구재단 이공분야기초연구사업과 해외우수연구기관유치사업 지원을 받았고, 연구 결과는 어드밴스트 에너지 머티리얼즈 5월 6일자에 실렸다.
울산=임동식기자 dslim@etnews.com
