입자 간 접촉성 향상에 따른 결정립 성장 촉진 및 원소 균일 확산 모식도. (사진=부경대 제공)

국립부경대학교는 고민성 교수 연구팀이 이차전지 등 차세대 배터리에 사용되는 하이니켈 삼원계 'LiNixCoyM1-x-yO2(M=Mn or Al, x≥0.8)' 양극재의 새로운 합성법을 제시했다고 18일 밝혔다.

부경대 고민성 교수와 채수종 교수, 매사추세츠 공과대학교(MIT) 윤문수 박사와 황재성 박사(UNIST 졸업) 등으로 구성된 연구팀은 80% 니켈 조성의 하이니켈 양극재인 NCM(니켈·코발트·망간)을 전구체(precursor) 합성에 필수적으로 요구되는 공침공정 없이 단일 열처리만으로 단결정 양극재를 제작할 수 있는 새로운 건식 합성방법을 발표했다.

하이니켈 양극재는 높은 용량 구현이 가능 가격이 한 차세대 활물질로 배터리 산업으로부터 크게 주목받고 있지만, 나노 사이즈의 입자들이 구형으로 응집된 다결정 형태를 띠기 때문에 충·방전 시 입자 내부에 미세균열이 형성돼 수명 특성이 급격하게 떨어지는 문제가 있다.

현재 하이니켈 양극재를 다결정 형태가 아닌, 단결정 형태로 합성하는 여러 연구가 진행되고 있지만, 단결정 합성의 경우 원소가 불균일하게 분포하고 결정성 안정화가 어려워 성능 구현이 힘든 것으로 알려져 있다.

이같은 문제를 해결하기 위해 고 교수 연구팀은 'PAMD(Pelletization-assisted mechanical densification)'라는 새로운 공정을 개발해 원소 확산과 결정립 성장 속도를 향상시켰다.

그 결과 단결정 양극재 내 원소가 균일하게 분포하고, 결정성이 안정화되는 것을 확인했다. 또 미세균열 형성을 방지해 100회 충·방전 후에도 종래 다결정 양극재보다 18% 향상된 수명 특성을 보였다.

고민성 교수는 "새로운 개발 공정을 적용해 생산된 고용량의 차세대 양극재는 단가 절감이 가능할 것으로 예상되며, 리튬이차전지뿐만 아니라 전고체 배터리에도 적용할 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌으며, 재료‧에너지 분야 국제학술지 'Journal of Energy Chemistry'(IF=13.599)에 지난 4월 게재됐다.