충전과 방전을 거듭할수록 오히려 쓸 수 있는 용량이 늘어나는 배터리 소재의 비밀이 국내 연구진에 의해 밝혀졌다.
포스텍(POSTECH)은 홍지현 배터리공학과 교수, 배터리공학과 임국현 박사, 박규영 배터리공학과·신소재공학과 교수, 신소재공학과 통합과정 이호준 씨 연구팀이 차세대 전기차 배터리 소재로 주목받는 망간계 양극 소재의 수명 단축 원인을 밝혀내고, 오히려 약점을 성능으로 바꾸는 새로운 전략을 제시했다고 28일 밝혔다.
전기차 시장은 현재 값싼 중국산 리튬인산철(LFP) 배터리가 장악하고 있다. 하지만 이 배터리는 충·방전을 반독하면 내부에서 발생하는 전기화학적, 물리적 변화로 인해 점진적으로 용량이 줄어든다. 핵심 이유는 가용 리튬의 영구적 손실과 내부 저항의 증가때문이다.
배터리 연구계에서는 이를 해결할 유력한 후보로 '리튬과잉층상구조소재(LMRO)'를 꼽는다. 값비싼 니켈과 코발트를 적게 쓰면서도, 기존 니켈 기반 양극재보다 에너지를 약 20% 많이 담을 수 있어, '더 싸고 더 오래 달리는' 배터리를 만들수 있다.
다만 치명적인 약점이 있었다. 충전과 방전을 반복할수록 용량이 줄고 작동 전압마저 떨어졌다. 원인을 찾으려는 연구마다 배터리 내부의 최종 구조가 제각각이었고 그 변화를 결정하는 '핵심 열쇠'도 오리무중이었다.
연구팀은 배터리가 수백 번 충·방전하는 동안 양극 소재 내부를 들여다봤다. 이 소재는 원래 리튬과 금속 알갱이들이 서로 다른 층을 이루며 벽돌담처럼 가지런히 쌓여 있다. 그런데 충전을 거듭할수록 이 벽돌담을 단단히 붙잡아주던 '산소'가 조금씩 빠져나갔다.
기둥이 하나둘 빠지자 리튬과 금속 알갱이들이 서로 넘나들며 뒤섞이기 시작했고, 결국 아무런 결국 규칙 없이 뒤엉킨 '무질서 암염 구조'로 바뀌었다. 잘 정리된 서랍이 시간이 지나며 물건들이 뒤죽박죽 섞이는 것과 비슷하다. 연구팀은 '빠져나가는 산소의 양'이 소재가 얼마나 뒤섞일지를 결정하는 방아쇠라는 사실을 밝혀냈다.
또 연구팀은 배터리를 얼마나 '깊이' 충전하느냐, 즉 얼마나 높은 전압까지 충전하느냐에 따라 산소가 빠져나가는 양을 조절할 수 있음을 확인했다. 더 깊이 충전할수록 산소가 더 많이 빠져나갔고, 산소가 떠난 빈자리(산소 공공)가 차곡차곡 쌓이며 소재의 구조를 바꿔놓았다.
여기서 반전이 일어났다. 산소가 빠져나가는 것은 언뜻 배터리가 고장 나는 신호처럼 보인다. 하지만 소재가 뒤섞이며 새로운 구조로 바뀌자, 리튬이 드나들 수 있는 길목이 오히려 늘어나 쓸 수 있는 용량이 늘어나는 뜻밖의 결과가 나타났다. 실제로 산소가 빠지는 양을 정교하게 조절한 소재는 200번 넘도록 충·방전을 거친 뒤에도 처음 성능의 98.4%를 유지하며 놀라운 내구성을 보였다.
그동안 소재 구조가 흐트러지는 것은 무조건 피해야 할 노화 현상으로 여겼지만, 이를 정밀하게 조절할 수 있는 '설계 도구'로 보면 오히려 배터리 성능을 대폭 늘릴 수 있음을 증명한 것이다.
홍지현 교수는 “이번 연구는 산업적으로도 배터리 구동 온도나 표면 환경을 조절하면 배터리 열화를 늦추고 수명을 연장할 수 있다”며 “산소 손실을 조절해 무질서화를 촉진하거나 억제함으로써 용도에 맞는 차세대 전기차용 배터리를 설계할 수 있을 것”이라고 덧붙였다.
산업통상부(한국산업기술기획평가원, 한국산업기술진흥원), 과학기술정보통신부 (한국연구재단), 그리고 한국전자통신연구원의 지원을 받아 수행된 이번 연구성과는 최근 에너지 분야 국제 학술지인 '에너지 & 환경과학(Energy & Environmental Science)' 앞속표지 논문(inside front cover)으로 게재됐다.
포항=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
