고려대 신소재공학부 박혁준 교수와 포스코홀딩스 미래기술연구원 공동연구팀이 양극재 제조 초기 단계의 열처리 온도를 조절하는 방식으로 차세대 고용량 리튬이온전지 양극재의 성능과 안정성을 끌어올리는 전략을 내놨다. 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘ACS Energy Letters’ 온라인판에 10월 19일 실렸으며, 연구 핵심을 시각화한 이미지는 추가 표지(Supplementary Cover)로 뽑혔다.


연구팀은 LMR 층상 산화물 양극재의 초기 원료인 수산화 전구체를 서로 다른 온도로 열처리해 구조가 다른 산화 전구체를 만든 뒤, 같은 조건에서 리튬 원료와 반응시켜 최종 양극재를 합성했다. 1C 조건(정격 용량 기준 1시간에 완전히 충전하거나 방전하는 전류 조건)에서 500회 충/방전한 결과, 높은 온도로 열처리한 전구체 기반 양극재는 평균 방전 전압이 358밀리볼트(mV) 떨어진 반면 낮은 온도로 열처리한 전구체 기반 양극재는 250밀리볼트 감소에 그쳤다. 반복 사용에 따른 전압 하락 폭을 약 30% 줄인 셈으로, 배터리 성능을 오래 안정적으로 유지하는 데 유리하다는 뜻이다. 아울러 산소의 산화/환원 반응이 한층 안정적으로 반복됐고, 충/방전 용량과 고속 충/방전 성능도 뛰어났다.


전기차와 에너지저장장치(ESS)에 쓰이는 리튬이온전지는 양극과 음극으로 이뤄진다. 충전 때는 리튬이온이 양극에서 음극으로 옮겨가며 에너지를 저장하고, 방전 때는 반대 방향으로 움직이며 전기를 만든다. 이 가운데 양극재는 배터리 용량/성능은 물론 소재 원가까지 좌우하는 핵심 소재다. 리튬/망간 과잉(LMR) 층상 산화물 양극재는 망간/니켈/코발트처럼 전자를 주고받는 반응에 관여하는 전이금속뿐 아니라 산소의 산화/환원 반응까지 활용해 높은 용량을 낸다. 하지만 충/방전을 거듭하면서 내부 결정구조가 바뀌고 전압이 서서히 낮아져 장기간 성능을 지키기 어렵다는 약점이 있었다.


양극재는 합성 초기 원료인 전구체를 열처리한 뒤 리튬 원료와 반응시키는 고온 합성 공정으로 만들어진다. 수산화 전구체가 열처리를 거쳐 산화 전구체가 되고, 이후 최종 양극재로 합성되는 구조다. 연구팀은 이 과정에서 전구체 속 전이금속 원소들이 서로 갈라지며 각기 다른 결정상이 생기는 현상이 최종 양극재의 내부 구조와 성능을 좌우한다는 점을 규명했다.


분석 결과 비교적 낮은 온도에서 열처리한 산화 전구체는 금속 원소가 고르게 퍼져 있었고, 조성이나 결정구조가 다른 부분이 나뉘는 상 분리도 적었다. 이 전구체로 만든 최종 양극재 역시 내부 구조가 균일했다. 반대로 높은 온도에서 열처리하면 산화 전구체와 최종 양극재 모두 내부 구조가 고르지 못했다. 연구팀은 원료의 구조적 특징이 후속 공정을 거친 최종 소재 구조에까지 이어지는 이 현상을 '구조적 템플릿 효과'로 설명하며, 전구체 구조만 조절해도 양극재 내부 나노구조를 제어할 수 있음을 확인했다.


이번 연구는 새로운 원소를 넣거나 조성을 바꾸지 않고도 제조 초기 전구체 구조 제어만으로 양극재 성능을 높일 수 있다는 점을 입증했다. 향후 고용량 배터리 양극재의 안정적인 제조 조건 확립과 생산 공정 최적화에 활용될 전망이다. 연구는 포스코홀딩스와 한국연구재단 지원으로 진행됐다.