충·방전 거듭할수록 배터리 용량은 더 증가…포스텍 연구팀 산소 양 조절로 기술 실현

충전과 방전을 거듭할수록 되레 쓸 수 있는 용량이 늘어나는 배터리 소재의 비밀을 국내 연구진이 밝혀내 학계의 관심이 쏠리고 있다.

포스텍(포항공대) 홍지현·박규영 교수, 임국현 박사, 통합과정 이호준 씨 연구팀이 차세대 전기차 배터리 소재로 주목받는 망간계 양극 소재의 수명 단축 원인을 밝혀내고, 이 같은 약점을 성능향상으로 잇는 새로운 전략을 제시했다.

이번 연구는 지난 22일 에너지 분야 국제 학술지인 '에너지＆환경과학'에 게재됐으며, 저널 편집진이 선정한 게재 상위 10%에도 올랐다.

전기차 시장은 지금 값싼 중국산 LFP(리튬인산철) 배터리에 맞설 '가성비 좋은 차세대 소재' 발굴에 사활을 걸고 있다.

그 가운데 유력한 후보가 '리튬과잉층상구조소재'다. 값비싼 니켈과 코발트를 적게 쓰면서도, 기존 니켈 기반 양극재보다 에너지를 약 20% 많이 담을 수 있다는 점에서, '더 싸고 더 오래 달리는' 배터리를 만들 재료로 꼽힌다.

다만 충전과 방전을 반복할수록 용량이 줄고 작동 전압이 떨어진다는 단점 때문에 상용화는 쉽지 않다.

이에 연구팀은 배터리가 수백 번 충·방전하는 동안 양극 소재 내부에서 일어나는 일들에 주목했다.

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. 또 기둥이 하나둘 빠지자 리튬과 금속 알갱이들이 서로 넘나들며 뒤섞이기 시작했고, 결국 '무질서 암염 구조'로 바뀌었다.

연구팀은 '빠져나가는 산소의 양'이 소재가 얼마나 뒤섞일지를 결정하는 방아쇠라는 사실을 밝혀냈다. 또 배터리를 충전하는 전압이 높을수록 빠져나가는 산소 양도 늘고 있음을 확인했다.

산소가 빠져나가면서 소재의 섞임에 의한 새로운 구조가 만들어지자, 리튬이 드나들 수 있는 길목이 늘어나며 용량이 증가하는 놀라운 결과가 나타났다.

실제로 산소가 빠지는 양을 정교하게 조절한 소재는 200번 넘도록 충 ·방전을 거친 뒤에도 처음 성능의 98.4%를 유지하며 놀라운 내구성을 보였다.

"이번 연구는 소재 구조가 흐트러지는 것을 무조건 피해야 하는 노화 현상으로 보는 게 아니라 이를 정밀하게 조절할 수 있는 '설계 도구'로 여긴다면 배터리 성능을 더 좋게 만들 수 있다는 사실을 증명한 결과물"이라며 "산소 손실의 적절한 조절을 통해 용도에 맞는 차세대 전기차용 배터리를 설계할 수 있을 것으로 기대된다"고 했다.