- 전기차와 에너지저장장치에 적용 가능한 고출력·고안정성 전지 개발에 새 길 제시

- 출력이 높고 수명이 긴 전지 기술 구현, 세계적인 학술지 '스몰'에 논문 게재

건국대학교 최원창 교수(화공생명에너지공학부) 연구팀이 전기차(EV)와 에너지저장장치(이하 ESS)에 적용할 수 있는 고출력·고안정성 리튬이온전지 양극재 설계 기술을 제시했다. 연구팀은 리튬망간철인산염(LMFP) 양극재 표면에 탄탈럼(Ta)을 선택적으로 도입하는 표면집중형 도핑 전략을 구현해 고율 충·방전과 저온 구동 조건에서 발생하는 성능 저하를 효과적으로 완화했다. 이번 연구성과는 재료과학 분야의 저명 국제학술지 ‘스몰(Small)’(IF=11.8)에 게재됐다.

리튬망간철인산염은 기존 리튬인산철(LFP) 양극재보다 높은 전압 영역을 활용할 수 있어 에너지밀도를 높일 수 있는 차세대 양극재로 주목받고 있다. 그러나 실제 전기차와 ESS 운전 환경에서는 높은 에너지밀도뿐 아니라 빠른 충·방전이 가능한 출력 특성, 저온에서도 안정적인 구동 성능, 장기간 사용에도 성능 저하를 억제하는 내구성을 동시에 확보해야 하는 과제가 있었다. 특히 양극재의 리튬이온 이동 속도와 계면 안정성은 배터리 성능을 좌우하는 핵심 요소로 꼽힌다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 리튬망간철인산염 입자 전체를 도핑하는 기존 방식에서 벗어나 전극 반응이 집중적으로 일어나는 표면부만을 선택적으로 제어하는 전략을 제안했다. 이온의 느린 확산 특성을 활용해 탄탈럼이 입자 내부 전체로 확산되지 않고 표면 인근에 집중되도록 설계했으며, 이를 통해 양극재 표면 구조를 안정화하고 리튬이온 이동 경로를 개선했다. 이 같은 접근은 소재 내부 구조의 불필요한 변형을 최소화하면서도 실제 성능 저하가 시작되는 계면을 효과적으로 제어할 수 있다는 점에서 의의가 있다.

건국대학교 KU융합과학기술원 최원창 교수팀(미래에너지공학과)이 리튬이온 배터리에 대한 혁신적인 연구 결과로 세계적인 학술지 ‘chemical engineering journal(IF=14.9)’에서 주목받고 있다. 

최 교수팀은 니켈 함량이 90% 이상인 울트라 하이니켈 단결정 양극재의 물리화학적·전기화학적 특성을 향상시키기 위한 첨단 전략을 개발했다. 해당 연구논문 제 1저자는 감다영 석사과정생이다.

울트라 하이니켈 단결정 양극재는 높은 용량과 우수한 사이클 수명으로 인해 포스코캐미컬, LG화학, 현대자동차 등 다수의 기업들이 상용화를 위해 주목하고 있는 유망한 기술이다. 하지만 고온에서 소성 과정 중 니켈이온과 리튬이온의 자리가 뒤바뀌는 ‘양이온 혼합 현상(cation mixing)’으로 배터리의 성능 저하돼 상용화에 제약이 있었다.

이 문제를 해결하기 위해 최 교수팀은 고온 소성 공정 중 원소들이 표면 근처 영역으로 확산될 수 있는 현상을 활용해 양이온 혼합 현상의 발생 가능성을 낮출 수 있는 리튬이온 배터리 양극재료를 개량하는데 성공했다.