▲ 무질서 구조의 리튬과잉 전이금속산화물을 개발한 UNIST 연구진(왼쪽부터 황재성, 조웅래, 진우영 석박통합과정 연구원과 명승준 박사)

UNIST(총장 정무영)가 배터리에 들어가는 코발트 양을 줄이면서 성능을 개선하는 기술을 개발해 배터리 가격 경쟁력 확보 및 소개 확보의 어려움을 해결할 것으로 기대를 모으고 있다.

UNIST는 에너지 및 화학공학부 조재필 교수팀이 중대형 배터리에 적합한 양극 소재인 ‘리튬과잉 전이금속산화물’의 성능을 향상시킬 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

조재필 교수는 “새로운 구조의 리튬과잉 전이금속산화물은 용량이 큰 장점을 유지하고 단점을 개선한데다, 코발트 함량도 최소화한 원천기술”이라고 밝혔다.

조재필 교수팀은 리튬과잉 전이금속산화물의 미세구조를 바꿔 구조적으로 안정도화가 낮은 니켈을 미세구조 내에 많이, 또 무질서하게 존재하도록 내부 구조를 설계했다. 또한 고온에서 물질을 합성해 니켈의 구조 안정화도를 더욱 낮췄다.

제1저자인 명승준 UNIST 이차전지 연구센터(Battery R&D Center) 박사는 “무질서한 원자 배열이 산소와 전이금속 간 결합성을 높여 리튬이 지속적으로 드나들어도 구조를 안정적으로 유지시켰다”며 “리튬 양이 많아져도 안정적으로 작동해 차세대 고에너지 양극 소재로 적용 가능성을 입증했다”고 설명했다.

새로운 기술로 합성한 ‘무질서 구조의 리튬과잉 전이금속산화물’은 기존에 비해 전압강하율이 82% 줄어들었다.

또한 현재 EV나 ESS에 주요 양극 소재로 사용되는 물질(NCM622, NCM811)에 비해 용량도 20% 이상 늘어났다.

이 물질의 코발트 함량도 기존 소재보다 20% 이상 적게 사용돼 가격 면에서도 경쟁력을 확보했다.

조재필 교수는 “리튬과잉 전이금속산화물의 고질적인 문제였던 전압강하를 원자 배열의 무질서화를 통해 효과적으로 개선했다”며 “코발트 함량을 최소화한 고에너지 밀도 양극 소재라 가격경쟁력이 확보된 데다 전체 공정이 비교적 간단해 대량생산도 가능하다”고 말했다.

이어 “이번에 개발한 양극 소재는 ‘저가형 고에너지 밀도 소재’로서 중대형 ESS에 성공적으로 적용 가능할 것”이라며 “차세대 양극 소재 개발과 배터리 성능 저하를 이해하는 폭넓은 시각을 제공할 것”이라고 기대했다.

이 연구는 세계적인 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 8월16일자 온라인판에 게재됐다. 연구수행은 울산광역시청과 산업통상자원부의 지원을 받아 이뤄졌다.

▲ ‘무질서 구조의 리튬과잉 전이금속산화물’의 원자 구조 변화 관찰