하이니켈 양극재 성능 저하 원인

내부 입자 사이 잔류리튬 축적 탓

우주·항공·미래 모빌리티에 활용

페로브스카이트 CIGS 태양전지

세계 최고 효율 달성…상용화 관심

한국에너지기술연구원 차세대전지개발센터 연구팀이 하이니켈 양극재 성능 저하와 관련된 실험 결과를 분석하고 있다. /에너지연 제공

한국에너지기술연구원이 전기자동차 배터리(2차전지)의 핵심 소재인 하이니켈 양극재(양극활물질) 성능 저하 문제를 해결했다.

에너지연은 울산차세대전지연구개발센터 진우영·차형연 선임연구원 팀이 하이니켈 양극재의 고질적 문제였던 ‘잔류 리튬 화합물’의 위치를 새롭게 규명하고 잔류 리튬을 최소화하는 설계 방법을 제시했다고 26일 밝혔다. 하이니켈 양극재는 고성능 리튬이온 배터리의 핵심 소재다. 양극재 안에 들어간 니켈 함량이 많을수록 전지의 에너지 밀도가 높아지고 전기차 주행거리가 길어진다. 하이니켈 양극재는 니켈 함량이 80%에 달한다.

전고체전지 연구로 확장

하지만 니켈 함량이 늘어날수록 양극재 표면에 잔류 리튬 화합물이 과도하게 생기면서 전극 원료가 젤리처럼 굳는 겔화 현상이 일어난다. 이렇게 되면 입자가 고르게 분포되지 않고 전극 물질 간 접착력이 줄어들어 전극의 성능이 떨어진다. 상용화된 양극재에서도 동일한 문제가 발생하고 있다. 양극재 표면의 잔류 리튬을 증류수로 씻어내거나 외부를 코팅하는 방법이 있지만 성능 저하 문제를 근본적으로 해결하는 데 한계가 있었다.

에너지연 연구팀은 잔류 리튬이 양극재 표면뿐 아니라 내부 입자 간 기공에서도 결정 상태로 존재한다는 사실을 처음 확인했다. 고해상도 전자현미경과 질소 흡착 분석, 전자에너지 손실 분광 등 첨단 분석 기법을 동원했다.

이 결과를 토대로 양극재 내부 잔류 리튬 형성을 막는 방법으로 단결정 구조의 하이니켈 양극재를 제안했다. 단결정 구조에선 입자 간 틈이 거의 없어 잔류 리튬의 응고를 차단하기 좋다. 이런 단결정 하이니켈 양극재를 사용하면 기존 양극재보다 잔류 리튬 화합물 수치를 기존보다 절반 이상 줄이면서 산업계와 학계의 목표인 2000ppm 이하로 유지할 수 있을 것으로 전망했다.

에너지연 관계자는 “하이니켈 양극재의 구조 안전성과 성능 열화를 이해하는 데 중요한 전환점을 제공한 연구”라며 “양극재 설계와 공정에 반영되면 고성능 리튬이온 배터리 시장 지배력 확대에 기여할 것”이라고 말했다. 이번 연구는 2차전지 양극재 분야의 권위자로 꼽히는 조재필 UNIST(울산과학기술원) 교수가 교신저자로 참여했다. 논문은 재료과학 분야 글로벌 학술지 ‘저널 오브 머티리얼스 케미스트리 에이’ 표지논문으로 실렸다. 연구비는 과학기술정보통신부의 ‘글로벌 톱 전략연구단’ 사업 지원을 받았다.

연구팀은 이번 연구 성과를 ‘배터리계 게임 체인저’로 불리는 전고체 전지 개발로 연결하고 있다. 잔류 리튬을 역으로 활용해 황화물계 전고체 전지의 고체전해질과 양극재 사이 계면 보호 역할을 하는 코팅층으로 바꾸는 역발상 연구다.

유연 박막 태양전지도 최고 효율 달성

에너지연은 앞서 페로브스카이트(P)·CIGS(구리 인듐 갈륨 셀레늄) 탠덤 태양전지의 효율을 세계 최고 수준으로 높이는 데 성공했다. 페로브스카이트는 빛을 효과적으로 흡수하는 차세대 태양전지 소재다. 탠덤은 서로 다른 셀을 쌓았다는 의미다.

P·CIGS 탠덤 태양전지는 한화큐셀 등이 상용화를 추진 중인 페로브스카이트(P)·실리콘 탠덤 태양전지보다 가볍고 유연성이 좋다. P·CIGS 탠덤을 쓰면 P·실리콘 탠덤으로는 제작이 불가능한 초경량 유연 박막 태양전지를 만들 수 있다.

다만 P·CIGS 탠덤 태양전지는 증착 및 박막 공정에서 유리 기판 안에 있던 칼륨 등 알칼리 금속이 새어 나와 CIGS 광흡수층의 성능을 떨어뜨리는 문제가 있다. 에너지연 태양광연구단 정인영 선임연구원팀은 계산과학을 통해 유리기판 위 폴리이미드층이 이런 문제의 주범인 칼륨 확산을 억제하는 것을 확인했다. 이 구조를 P·CIGS 탠덤 태양전지에 적용해 광흡수층 결함을 최소화하는 데 성공했다. 이렇게 제작한 태양전지 효율은 23.64%로 기존에 알려진 P·CIGS 탠덤 태양전지 효율 18.1%보다 높았다.

연구팀은 이 전지의 내구성을 입증하기 위해 10만 회 이상 구부림 테스트를 했다. 10만 번 구부린 다음에도 초기 효율의 97.7%를 유지하는 것을 확인했다.

에너지연 관계자는 “이번에 개발한 전지의 무게당 출력비는 P·실리콘 탠덤 태양전지보다 10배가량 높아 초경량 모듈이 필요한 건물 곡면 외장재, 미래 모빌리티, 우주항공 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것”이라고 설명했다. 연구성과는 에너지 분야 국제 학술지 ‘줄’에 실렸다.

*기사링크 : 에너지기술연구원, 2차전지 성능 저하 난제 풀었다 | 한국경제