왼쪽부터 강기석 서울대학교 재료공학부 교수, 전영준 서울대학교 재료공학부 연구원

서울대학교 공과대학(이하 서울공대)은 재료공학부 강기석 교수 연구팀이 SK온과의 공동 연구를 통해 대형 입자로 구성된 고밀도 단결정 양극 전극을 개발했다고 밝혔다.

이번 연구는 단결정 양극 소재 합성의 기술적 난제를 규명하고 새로운 합성 경로를 제시한 성과로 세계 최고 권위 학술지인 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 게재됐다.

현재 배터리 업계에서 널리 사용되는 다결정(Polycrystalline) 양극재는 여러 입자가 뭉친 구조로 압연 공정이나 충·방전 과정에서 균열이 발생해 수명 저하 및 가스 생성 가능성이 있다. 반면 단결정(Single-crystalline) 양극재는 하나의 단위 입자가 단일한 결정 구조로 이루어져 있어 쉽게 균열이 발생하지 않아 수명과 안정성이 뛰어나다.

그러나 단결정 양극재는 소재 합성 과정에서 입자를 크고 균일하게 성장시키면서 구조적 안정성까지 확보하는 것은 어려워 업계의 난제로 꼽혀왔다. 특히 니켈 함량이 높은 양극 소재일수록 단결정 생성에 고온·장시간 열처리가 필요한데, 이 과정에서 양이온 무질서* 현상이 발생해 배터리 성능과 수명 저하 문제가 나타났다.

*양이온 무질서(cation disorder): 니켈 기반 양극 소재에서 리튬과 니켈 이온의 비슷한 크기 때문에, 각자 있어야 할 층을 벗어나 서로 뒤섞여 배열되는 현상. 이로 인해 리튬 이온 이동이 원활하지 않아 배터리 출력, 충·방전 속도 저하 등을 야기한다.

서울공대 연구진과 SK온은 이러한 문제를 해결하기 위해 새로운 합성 방법을 고안했다. 구조적 안정성이 뛰어나고 결정 성장*이 용이한 나트륨 기반 단결정을 먼저 만든 뒤, 이를 이온 교환 방식을 통해 리튬 기반으로 대체하는 방식이다. 이를 통해 튼튼한 단결정 구조를 유지하면서 양극 소재를 얻을 수 있는 것이다.

*결정 성장(crystal growth): 원자나 이온이 규칙적인 배열을 이루며 하나의 결정으로 점차 커지는 과정.

또한 연구진은 높은 에너지 밀도 구현에 유리한 대형 입자 단결정에 주목하여 화학적 조성, 온도, 시간 등 최적의 합성 조건과 구조 형성 메커니즘을 체계적으로 분석했다. 그 결과, 기존 다결정 양극재의 이차입자와 동일한 수준인 10μm 크기의 입자를 가지며 양이온 무질서가 없는 울트라 하이니켈*(니켈 함량 94% 이상) 단결정 양극재 개발에 성공했다.

*울트라 하이니켈(Ultrahigh nickel): 양극재 내 니켈 함량이 94%가 넘는 것을 뜻한다. 니켈 함량이 많을수록 에너지 밀도가 높아 전기차 배터리의 경우 1회 충전 시 주행거리가 늘어난다.

해당 단결정 양극재는 기계·화학적 안정성이 뛰어나고 높은 에너지 밀도를 지닌 것으로 나타났다. 실험 결과, 양이온 무질서가 없어 구조 변형이 감소했으며 가스 발생량도 다결정 양극재 대비 25배나 감소한 것으로 확인됐다. 또한 전극 밀도는 이론적 결정 밀도*의 77%를 달성했다.

*이론적 결정 밀도(Theoretical crystal density): 결함, 불순물이 전혀 없는 완벽한 결정 상태를 가정했을 때의 밀도.

서울공대 연구진과 SK온은 이번 성과를 바탕으로 차세대 양극재 개발을 위한 후속 연구를 이어갈 계획이다. 아울러 한층 더 고도화된 소재 조성과 합성 방법을 모색하고 서로 다른 크기의 단결정 입자를 최적 비율로 조합해 에너지 밀도를 극대화하는 연구도 검토 중이다.

강기석 교수는 “이번 성과는 단결정 양극재의 합성 난제를 해결하고 차세대 배터리 기술 개발에 중요한 기반을 마련한 연구”라며 “앞으로도 산업계와의 긴밀한 협력을 통해 혁신적인 배터리 소재 연구를 지속할 것”이라고 말했다.

서울대 재료공학부 전영준 연구원은 “이번 연구를 통해 단결정 양극 소재의 성장 과정과 구조적 안정성에 대해 보다 상세한 이해를 얻을 수 있었다”며 “이번 결과가 배터리 성능 향상과 제조 공정 개선에 활용되어 산업 발전에도 보탬이 되기를 바란다”고 밝혔다.

연구진 진로

한편 전영준 연구원은 단결정 양극 소재의 결정 성장 메커니즘을 규명하기 위한 후속 연구를 진행하고 있다.

특히 핵심 거동을 정밀하게 이해함으로써 새로운 합성 패러다임으로 확장될 수 있는 기반을 마련하고, 소재 성능과 제조 공정의 효율성을 함께 향상시키는 연구를 지속할 계획이다.